基于TRIZ理論的上肢康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

楊章振 李志強(qiáng)

（安陽市翔宇醫(yī)療設(shè)備有限責(zé)任公司，河南 安陽 455000）

我國老齡化社會問題已經(jīng)顯現(xiàn)，腦卒中而導(dǎo)致的偏癱問題越來越多，我國是腦卒中病的高發(fā)地區(qū)之一，且還在逐年迅速增長，年輕化趨勢愈發(fā)明顯，很多患者由于得不到應(yīng)有的醫(yī)療救治出現(xiàn)偏癱、生活不能自理甚至死亡。

因此，需要對患者及早干預(yù)，提高患病后的生活質(zhì)量，在發(fā)達(dá)國家通過康復(fù)訓(xùn)練，促進(jìn)患者腦神經(jīng)功能的重塑代償，有效防止患者機(jī)體廢用性發(fā)生。而目前的康復(fù)訓(xùn)練治療通常在醫(yī)院、社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心等醫(yī)療機(jī)構(gòu)，由專業(yè)康復(fù)醫(yī)師對患者推拿、按摩等方式一對一地進(jìn)行康復(fù)治療，康復(fù)效果因康復(fù)醫(yī)師的專業(yè)水平、情緒波動、疲勞等因素而存在差異，并且很多患者家庭難以承受長期治療的費(fèi)用，在一些大型醫(yī)療機(jī)構(gòu)通常配備有上肢康復(fù)訓(xùn)練器，由于我國康復(fù)事業(yè)起步較晚，導(dǎo)致目前的上肢康復(fù)訓(xùn)練器多數(shù)采用進(jìn)口設(shè)備，患者每次康復(fù)費(fèi)用較高，而提高我國康復(fù)醫(yī)療器械的整體水平，從康復(fù)醫(yī)療器械的自動化水平、舒適度、經(jīng)濟(jì)成本等方面趕超發(fā)達(dá)國家，康復(fù)醫(yī)療器械領(lǐng)域還需要很大程度上的不斷創(chuàng)新［1］。

1 TRIZ理論

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）是俄文中發(fā)明問題解決理論的詞頭。它充分揭示出創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，快速確認(rèn)解決在系統(tǒng)中存在的矛盾。該理論是由前蘇聯(lián)根里奇·阿奇舒勒及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員，自1946年開始，在分析研究世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上，研究與歸納人類在進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理與法則后建立的。運(yùn)用TRIZ 理論，可以大大加快設(shè)計(jì)人員創(chuàng)新的過程，提高創(chuàng)新的質(zhì)量。

2 TRIZ理論的上肢康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

上肢是人體最復(fù)雜的器官之一，為實(shí)現(xiàn)手掌運(yùn)動的靈活性，人類進(jìn)化出多自由度的上肢，上肢連接關(guān)節(jié)分為：肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、手指關(guān)節(jié)［2］，每個(gè)關(guān)節(jié)都包含多個(gè)自由度，如表1所示：

表1 上肢各關(guān)節(jié)自由度

從患者舒適度、康復(fù)醫(yī)學(xué)理論、上肢康復(fù)訓(xùn)練器復(fù)雜程度等方面綜合考慮，以能夠充分鍛煉患者手部至肩關(guān)節(jié)各部分神經(jīng)、肌肉為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)斂、肩關(guān)節(jié)屈/伸、前臂自然下垂時(shí)肘關(guān)節(jié)屈/伸、上臂前擺時(shí)肘關(guān)節(jié)屈/伸、前臂內(nèi)旋/外旋的五自由度的上肢康復(fù)訓(xùn)練器，其機(jī)構(gòu)原理如圖1所示，每個(gè)自由度運(yùn)動的角度范圍如表2所示［3］。

圖1 上肢機(jī)構(gòu)原理簡圖

表2 上肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍

該五自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練器每個(gè)關(guān)節(jié)處可安裝驅(qū)動電機(jī)，采用動力輸入方式，用于不能自主運(yùn)動患者的被動運(yùn)動，或者不采用外界動力驅(qū)動，無動力輸入方式用于能自主運(yùn)動的患者進(jìn)行自主康復(fù)訓(xùn)練，上肢康復(fù)訓(xùn)練器的機(jī)械結(jié)構(gòu)是有重量的，肩關(guān)節(jié)屈/伸的過程中，康復(fù)訓(xùn)練器的機(jī)械結(jié)構(gòu)重心動態(tài)變化，驅(qū)動電機(jī)或者患者需要克服上肢康復(fù)訓(xùn)練器機(jī)械結(jié)構(gòu)重量而引起的變化，這樣導(dǎo)致控制并檢測機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動角度，計(jì)算克服機(jī)械結(jié)構(gòu)重量而使電機(jī)扭矩動態(tài)輸出，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。如果采用無動力輸入方式，患者肩關(guān)節(jié)屈/伸的過程中阻力波動較大，大臂前擺至水平位置時(shí)阻力最大，而下擺時(shí)，阻力為負(fù)值，此時(shí)會導(dǎo)致康復(fù)訓(xùn)練器的重量使患者上肢加速下擺，容易對患者上肢造成傷害、可靠性差。

綜合以上分析，采用有動力、無動力輸入方式的上肢康復(fù)訓(xùn)練器，如果加裝康復(fù)訓(xùn)練器的重量補(bǔ)償裝置，通常采用計(jì)算機(jī)檢測上臂的擺動位置，計(jì)算出需要補(bǔ)償重量而增加或減小驅(qū)動電機(jī)的輸出扭矩，系統(tǒng)的復(fù)雜程度高，驅(qū)動電機(jī)浪費(fèi)大量功耗，故障率高，可靠性差，電機(jī)故障時(shí)可能導(dǎo)致患者受傷，設(shè)備損毀，而如果不采用重量補(bǔ)償裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，損毀上肢康復(fù)訓(xùn)練器或使患者受傷害，所以康復(fù)訓(xùn)練器增加重量補(bǔ)償裝置是非常必要的。將安裝重量補(bǔ)償裝置的康復(fù)訓(xùn)練器技術(shù)矛盾問題轉(zhuǎn)換為TRIZ語言，使用TRIZ理論中的阿奇舒勒矛盾矩陣，定義技術(shù)矛盾，從中得到有效解。

在上述方案中，采用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)就可表示成：需要改善的參數(shù)是控制和測量的復(fù)雜性、運(yùn)動物體的能量消耗與產(chǎn)生的惡化參數(shù)是物體產(chǎn)生的有害因素、可靠性四者之間的矛盾；產(chǎn)生的矛盾矩陣如表3所示。

表3 五自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練器的矛盾矩陣

根據(jù)表3 的矛盾矩陣，產(chǎn)生推薦的發(fā)明原理是：2 抽取原理、8 重量補(bǔ)償原理、11 事先防范原理、19 周期性作用原理、21 減少有害作用時(shí)間的原理、27 廉價(jià)替代品原理、28機(jī)械系統(tǒng)替代、35物理或化學(xué)參數(shù)改變原理、38強(qiáng)氧化劑原理。

TRIZ 矛盾矩陣中給出了9 項(xiàng)推薦原理，為問題的有效解提供了方向，采用27廉價(jià)替代品原理對該設(shè)計(jì)方案中的問題進(jìn)行求解，如何通過簡單、廉價(jià)的方式對機(jī)械結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行補(bǔ)償，上肢康復(fù)訓(xùn)練器前臂上擺至水平位置時(shí)，采用一個(gè)彈簧拉住機(jī)械機(jī)構(gòu)，患者前臂下擺時(shí)，彈簧被拉伸，使康復(fù)訓(xùn)練器不會加速下擺，而當(dāng)患者前臂上擺時(shí)，彈簧被放松，同時(shí)機(jī)械機(jī)構(gòu)重心也在后移，上臂阻力基本不變化，利用三維軟件渲染的五自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練器三維模型圖如圖2所示。

圖2 五自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練器模型圖

為提高五自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練器的安全性，需要對主要承重零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，上肢康復(fù)訓(xùn)練器后端固定位置要承受整個(gè)機(jī)械臂的重量，患者手臂質(zhì)量平均3.5kg［4］，機(jī)械臂重量3kg，手臂長0.75m，為安全起見，以手臂中點(diǎn)為質(zhì)量中心，患者大臂最大上下擺動每分鐘10次，每次轉(zhuǎn)動范圍2/3π，加速時(shí)間0.2s。

式中：T負(fù)—機(jī)械臂與患者手臂靜力矩；T慣—機(jī)械臂與患者手臂慣性矩；T總—機(jī)械臂與患者手臂總力矩；J總—機(jī)械臂與患者手臂的轉(zhuǎn)動慣量；J機(jī)—機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動慣量；J臂——患者手臂轉(zhuǎn)動慣量。

總的慣性扭矩由大臂懸梁承受，大臂懸梁兩側(cè)中心孔距0.1m，所以每側(cè)中心孔承受256N的載荷。對大臂懸梁進(jìn)行有限元分析，設(shè)定大臂懸梁材料為合金鋼，對大臂懸梁一側(cè)孔添加固定約束，另一側(cè)孔添加徑向載荷256N，網(wǎng)格化分析，節(jié)總數(shù)14 632，單元總數(shù)8 975，圖3為網(wǎng)格化的有限元分析模型。

分析出大臂懸梁受極限載荷時(shí)，最大應(yīng)力為14.3MPa，屈服強(qiáng)度為620.4MPa，所以該大臂懸梁不會因強(qiáng)度不足而發(fā)生斷裂變形損壞。

圖3 大臂懸梁網(wǎng)格化的有限元分析模型

圖4 大臂懸梁的應(yīng)力分析圖

3 結(jié)語

本文闡述了我國腦卒中患者呈逐年增加的趨勢，康復(fù)訓(xùn)練是患者提高生活質(zhì)量的一種重要途徑，上肢是人體最復(fù)雜的器官之一，具有多個(gè)自由度，從患者康復(fù)效果、舒適度等反面綜合考慮，設(shè)計(jì)五自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練器，分析大臂屈/伸過程中設(shè)置重量補(bǔ)償裝置存在的技術(shù)問題，轉(zhuǎn)化為TRIZ 語言，利用矛盾矩陣得出了多個(gè)有效解，根據(jù)推薦的廉價(jià)替代品原理，采用彈簧裝置實(shí)現(xiàn)了大臂屈/伸過程中的重量補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，并使用有限元分析軟件對承重零件進(jìn)行了校核。

［1］張輝.六自由度外骨骼式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)計(jì)［D］.上海：東華大學(xué)，2014.

［2］趙峰.上肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

［3］曹電鋒，楊啟志，莊佳奇，等.一種六自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)分析［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2013，20（4）：338-343.

［4］車仁煒，呂廣明，孫立寧.五自由度康復(fù)機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2005（4）：18-21.