杜妍辰，林俊文，王多琎

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

0 引言

由于日益嚴(yán)重的人口老齡化問(wèn)題和因疾病致使肢體殘障人數(shù)逐年增加，我國(guó)下肢功能障礙患者逐年遞增。對(duì)患者來(lái)說(shuō)，他們既有輪椅等輔助移動(dòng)設(shè)備的需求，也有幫助下肢訓(xùn)練康復(fù)設(shè)備的需求，而需求設(shè)備間的移動(dòng)和穿戴給患者帶來(lái)許多阻礙。因此，逐漸出現(xiàn)了一些集康復(fù)訓(xùn)練功能于一體的輪椅系統(tǒng)。

針對(duì)輪椅車我國(guó)出臺(tái)了如GB/ T 18029系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，用以規(guī)定對(duì)輪椅產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)前進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目和指標(biāo)。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試中使用肉眼觀察輪椅難以量化指標(biāo)等問(wèn)題做了深入研究。俞顯佳等［1］提出了一種輪椅靜態(tài)強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)，可對(duì)扶手、腳踏、手把同時(shí)測(cè)試，并用數(shù)控比例閥和高精度力傳感器與放大器配合實(shí)現(xiàn)高精度抓取力值。王志明等［2］提出一種輪椅車動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，可對(duì)前后輪間距為350～1 500 mm輪椅車進(jìn)行顛簸測(cè)試和0～40°爬坡測(cè)試，并可切換電動(dòng)或手推式測(cè)試模式。而國(guó)內(nèi)尚未出臺(tái)輪椅車中下肢康復(fù)訓(xùn)練部分國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該文參考GB 24436-2009、GB/T 28919-2012等系列設(shè)計(jì)針對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的測(cè)試設(shè)備以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)備的缺失，并解決了國(guó)外類似設(shè)備的代表人群體征差異。

1 輪椅下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

該測(cè)試平臺(tái)由測(cè)試假人主體與外掛架組成（圖1）。其中假人主體部分參照國(guó)標(biāo)GB 10000-88中50 %中國(guó)成年人人體尺寸設(shè)計(jì)，在保證人體質(zhì)心標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，選擇對(duì)應(yīng)人體肩高1 367 mm為假人主體總高，總質(zhì)量為60 kg，并按照人體結(jié)構(gòu)分為足部、小腿、大腿和軀干4個(gè)部分。假人各部尺寸、質(zhì)量及質(zhì)心可滿足輪椅測(cè)試中負(fù)載假人的功能，其關(guān)節(jié)處安裝傳感器以完成下肢康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性測(cè)試，足底壓力傳感器、整機(jī)雙平行四邊形設(shè)計(jì)、軀干內(nèi)絲桿電機(jī)與外掛架組成了平衡訓(xùn)練安全性測(cè)試模塊，膝關(guān)節(jié)中的摩擦盤和大腿中部的氣動(dòng)夾鉗可用以模擬人體痙攣，并且膝關(guān)節(jié)阻力可調(diào)（圖2）。

圖1 測(cè)試平臺(tái)整體外觀示意圖Fig.1 Test platform components

圖2 假人主體各部位標(biāo)注示意圖Fig.2 Design of each part of dummy body

該測(cè)試平臺(tái)通過(guò)模擬人體在下肢訓(xùn)練輪椅上進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練及平衡能力訓(xùn)練進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)各參考標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試平臺(tái)中假人主體各部尺寸、質(zhì)量、質(zhì)心和關(guān)節(jié)可動(dòng)范圍應(yīng)與自然人一致。在平衡訓(xùn)練測(cè)試時(shí)，應(yīng)模擬人體移動(dòng)重心的姿態(tài)，并限制假人矢狀面上的移動(dòng)，且軀體可在冠狀面上移動(dòng)用以改變重心；在測(cè)試痙攣保護(hù)功能時(shí)，需對(duì)膝關(guān)節(jié)施加一個(gè)突然的制動(dòng)力，用以模擬人體痙攣。因此，對(duì)該測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)3個(gè)模塊以解決上次功能需要。

1.1 平衡訓(xùn)練穩(wěn)定性測(cè)試模塊

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)載假人的各部高度、質(zhì)量和質(zhì)心應(yīng)嚴(yán)格按照人體尺寸設(shè)計(jì)，以滿足測(cè)試模擬人體的需要（表1）。

表1 假人主體各部尺寸表Tab. 1 Dimension table of dummy body

為測(cè)試各種不同的下肢康復(fù)訓(xùn)練輪椅訓(xùn)練時(shí)，小腿托板帶動(dòng)小腿被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)的平穩(wěn)性，增加設(shè)備通用性，在每個(gè)髖、膝關(guān)節(jié)處均安裝有扭矩和角度傳感器，用以記錄測(cè)試對(duì)象下肢康復(fù)訓(xùn)練中輸出角度、加速度和扭矩，并計(jì)算其平穩(wěn)性。

1.2 平衡訓(xùn)練測(cè)試模塊

為模擬人體站立在輪椅腳托架上，患者訓(xùn)練平衡能力時(shí)做改變重心的側(cè)傾姿態(tài)，使用雙平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)腿部各機(jī)構(gòu)傾斜而軀干豎直功能（圖3）。使用貫通式絲桿電機(jī)控制AB桿相對(duì)CD桿之間的水平位移帶動(dòng)AE桿與BF桿傾斜，并通過(guò)直線導(dǎo)軌保證AB桿相對(duì)CD桿之間的豎直方向位移不受限制，并且利用絲桿電機(jī)自鎖的特性，可用較小力矩就保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免了使用昂貴電機(jī)與減速器增大力矩的情況。通過(guò)快卸插銷限制平衡訓(xùn)練時(shí)髖、膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)；通過(guò)可調(diào)緊定螺絲把手限制踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)且限制角度可調(diào)；通過(guò)重型鋁方管與光軸直線導(dǎo)軌組成的外掛架，以插銷快接的方式與假人主體相連接，用以限制假人主體在矢狀面上的移動(dòng)；通過(guò)貫通式絲桿電機(jī)帶動(dòng)假人主體整體傾斜，并模擬人體傾斜時(shí)下肢傾斜而軀干保持豎直狀態(tài)的功能，而改變重心模擬人體在相關(guān)輪椅上進(jìn)行平衡訓(xùn)練時(shí)重心移動(dòng)，并依靠假人主體足部壓力傳感器獲得設(shè)備平衡實(shí)時(shí)狀態(tài)，用以失衡狀態(tài)時(shí)假人傾斜角度判斷，提高輪椅的安全性能。

圖3 假人主體傾斜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Dummy body tilt structure diagram

1.3 痙攣保護(hù)測(cè)試模塊

為測(cè)試各下肢康復(fù)訓(xùn)練輪椅在患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)突發(fā)痙攣癥狀的保護(hù)措施和觸發(fā)條件。設(shè)計(jì)由安裝在膝關(guān)節(jié)的制動(dòng)盤和氣動(dòng)剎車夾鉗作為對(duì)應(yīng)測(cè)試模塊，配合制動(dòng)盤后剎車夾鉗在0.7 MPa的氣壓下可在膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生制動(dòng)扭矩（0～45 N·m可調(diào)）。通過(guò)控制氣壓閥門可使膝關(guān)節(jié)瞬間產(chǎn)生制動(dòng)扭矩，用以模擬人體僵直狀態(tài)，測(cè)試各類設(shè)備對(duì)人體痙攣狀態(tài)的保護(hù)措施。小腿側(cè)板和踝承重軸塊的應(yīng)力分布見圖4，圖5。

圖4 小腿側(cè)板應(yīng)力分布圖Fig.4 Stress profile of leg side plate

圖5 踝承重軸塊應(yīng)力分布圖Fig.5 Stress distribution diagram of ankle bearing axial block

2 關(guān)鍵部位有限元受力分析

選擇測(cè)試平臺(tái)中關(guān)鍵部位零部件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，用以計(jì)算測(cè)試平臺(tái)可靠性，可有效防止測(cè)試平臺(tái)在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)部件損壞、失效等情況，以保證系統(tǒng)安全性能。

由圖4和圖5可知，在站立工況下小腿側(cè)板在承重梁處產(chǎn)生最大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為4.722 MPa，踝承重軸塊在軸中出產(chǎn)生最大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為0.417 6 MPa，遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力505 MPa，滿足材料屈服強(qiáng)度要求。因此，假人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可達(dá)到各使用工況的性能要求。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練輪椅的下肢訓(xùn)練模塊測(cè)試是此類設(shè)備的重要安全指標(biāo),關(guān)系到下肢障礙者的人身安全。目前關(guān)于此類輪椅康復(fù)訓(xùn)練模塊的國(guó)標(biāo)尚未出臺(tái)，相關(guān)測(cè)試設(shè)備空白，我們提出的測(cè)試平臺(tái)整合了3類針對(duì)下肢訓(xùn)練模塊的主要測(cè)試項(xiàng)目，提高了測(cè)試效率，減少了設(shè)備堆疊。

測(cè)試平臺(tái)中假人主體在與自然人體體征相同的基礎(chǔ)上加裝傳感器可真實(shí)檢測(cè)使用者在各康復(fù)設(shè)備上接受的扭矩和角速度數(shù)值，克服目前相關(guān)輪椅測(cè)試僅針對(duì)電機(jī)和設(shè)備結(jié)構(gòu)的情況，創(chuàng)新性地使用雙平行四邊形機(jī)構(gòu)模擬人體傾斜情況，并使用壓力傳感器精確判斷失衡時(shí)角度特性。本測(cè)試平臺(tái)精度高，判斷依據(jù)準(zhǔn)確，部件同人體生理數(shù)據(jù)一致，且結(jié)構(gòu)擬人度高、可靠性強(qiáng)，具有很好的實(shí)際測(cè)試意義。