坐姿正脊機(jī)理的研究及裝置設(shè)計(jì)

李 迪, 程 光, 張 建, 陳秋媛

(1.北京智能機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)工程技術(shù)研究中心,北京 100020;2.北京聯(lián)合大學(xué) 機(jī)器人學(xué)院,北京 100020)

坐姿正脊機(jī)理的研究及裝置設(shè)計(jì)

李 迪, 程 光, 張 建, 陳秋媛

(1.北京智能機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)工程技術(shù)研究中心,北京 100020;2.北京聯(lián)合大學(xué) 機(jī)器人學(xué)院,北京 100020)

從脊柱側(cè)彎矯正的受力分析出發(fā)，將脊柱簡(jiǎn)化為二維模型，比較了脊柱側(cè)彎矯正中的軸向載荷、橫向載荷和兩者的復(fù)合載荷的靜力學(xué)特征。通過(guò)對(duì)牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析，獲得了坐姿正脊按摩椅對(duì)脊柱施力的生物力學(xué)特性。采用ANSYS軟件對(duì)坐姿正脊按摩椅的矯正功效進(jìn)行了模擬，通過(guò)改變牽引力和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的橫向載荷和縱向載荷的大小，分析了牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)對(duì)脊柱微變型的影響。最終得出結(jié)論：軸向力和橫向力同時(shí)作用在脊柱上，矯正效果應(yīng)該最佳，而且無(wú)論脊柱變形程度多大，軸向牽引與橫向擠推的組合受力方式對(duì)于脊住微變有著最佳的效果。進(jìn)而設(shè)計(jì)了一臺(tái)坐姿正脊按摩椅，該正脊按摩椅主要由座椅、靠背、扶手、牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，為脊柱側(cè)彎相關(guān)疾病提供矯正治療依據(jù)，減少脊柱側(cè)彎患者的病痛，為今后脊柱側(cè)彎治療領(lǐng)域理論增添依據(jù)。

脊柱側(cè)彎； 受力分析； 矯正； 按摩椅設(shè)計(jì)

0 引 言

脊柱側(cè)彎是一種發(fā)病率較高的脊柱畸形，包括冠狀位、矢狀位和軸位上的序列異常引起的脊柱側(cè)凸[1]。引起脊柱側(cè)彎的原因有多種，包括結(jié)構(gòu)性脊柱側(cè)彎(如特發(fā)性、先天性和神經(jīng)肌肉性等)和非結(jié)構(gòu)性脊柱側(cè)彎(如姿勢(shì)性側(cè)彎和癔癥性側(cè)彎等)[2]。脊柱側(cè)彎對(duì)呼吸系統(tǒng)、內(nèi)臟器官功能和軀干形態(tài)等有較大的影響[3]。脊柱側(cè)彎的治療分為手術(shù)治療和非手術(shù)治療[4]。由于脊柱側(cè)彎病因復(fù)雜，其治療手段需要從側(cè)彎特點(diǎn)、患者年齡和骨齡發(fā)育等方面考慮。三維矯形技術(shù)和椎弓根螺釘固定技術(shù)是較為普遍的手術(shù)治療手段，但其安全性仍然存在許多爭(zhēng)議[5]。非手術(shù)治療即保守治療方法，常見(jiàn)的有懸吊運(yùn)動(dòng)、矯形體操治療、支具和理療等。

為了獲取脊柱側(cè)彎特點(diǎn)，對(duì)脊柱側(cè)彎的力學(xué)特性方面展開(kāi)了機(jī)理研究。Zhang等利用有限元分析軟件通過(guò)施加載荷來(lái)模擬脊柱側(cè)彎，分析了當(dāng)Cobb角保持不變時(shí)橫向力對(duì)脊柱側(cè)彎和骨盆傾斜的影響[6]。杜青選擇脊柱側(cè)凸特定運(yùn)動(dòng)療法和脊柱矯形支具治療兩種治療方法，康復(fù)治療療效顯著，可以阻止畸形進(jìn)展，增強(qiáng)骨質(zhì)強(qiáng)度，改善雙側(cè)豎脊肌肌肉運(yùn)動(dòng)控制差異，提高肺功能和生活質(zhì)量[7]。汪學(xué)松等利用有限元軟件建立了脊柱側(cè)彎三維有限元模型，模擬了脊柱側(cè)彎的特性[8]。楊永宏等建立了脊柱側(cè)彎三維有限元模型，計(jì)算了脊柱的活動(dòng)度、椎間盤(pán)、椎體等部位的應(yīng)力分布，分析了退變性脊柱側(cè)彎的力學(xué)特點(diǎn)[9]。魏建新建立了半椎體切除后的脊柱側(cè)彎有限元模型，分析了橫向連接裝置對(duì)脊柱后路的生物力學(xué)影響[10]。

孫守林等設(shè)計(jì)了一款針對(duì)脊柱側(cè)彎的牽拉式矯形器，在腰部和雙肩之間用多節(jié)狀承力架連接，多節(jié)狀承力架受壓時(shí)會(huì)引起脊柱向凸側(cè)彎曲從而進(jìn)行矯形[11]。徐子茵針對(duì)老年人設(shè)計(jì)了一臺(tái)脊柱康復(fù)床，康復(fù)床的起背功能對(duì)脊柱進(jìn)行搖擺和旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)脊柱各關(guān)節(jié)的活動(dòng)力和靈活性[12]。張鴻筑發(fā)明了一種治療胸椎壓縮性骨折和糾正脊椎側(cè)彎的裝置，用牽引缸推動(dòng)推力板對(duì)患者的脊椎側(cè)彎進(jìn)行牽拉治療[13]。任海龍等發(fā)明了一種脊柱側(cè)彎矯正器，弧形導(dǎo)向柱可以產(chǎn)生恢復(fù)成線形的彈力，進(jìn)而施加給脊柱矯正力，幫助處于發(fā)育期的青少年進(jìn)行脊柱矯正[14]。梁漢基發(fā)明了一種脊椎康復(fù)牽引機(jī)構(gòu)，采用螺母螺桿裝置作為運(yùn)動(dòng)變換實(shí)現(xiàn)拉力輸出，實(shí)現(xiàn)脊椎牽引矯正[15]。在臨床實(shí)踐中，必須向患者說(shuō)明配戴矯形器必要性與有效性，使患者以積極的心態(tài)接受和配合治療，以獲得好的療效[16]。

現(xiàn)有的對(duì)脊柱側(cè)彎的矯形設(shè)備主要以按壓或槌打等物理方式進(jìn)行理療，對(duì)脊柱側(cè)彎矯正的作用有限，這些理療設(shè)備的長(zhǎng)期效果尚不清楚。本文首先對(duì)脊柱側(cè)彎矯正的受力分析進(jìn)行研究，為預(yù)防和改善脊柱側(cè)彎提供了力學(xué)依據(jù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)了一臺(tái)具有保健功效預(yù)防脊柱側(cè)彎按摩椅。脊柱側(cè)彎按摩椅的治療目的是矯正側(cè)彎畸形且制止其進(jìn)一步加重，恢復(fù)脊柱的生理彎曲，獲得穩(wěn)定，維持軀干平衡，改變外觀畸形，盡可能減少融合范圍，減輕或解除腰背部疼痛，最大限度改善身體狀況，維持心肺功能。

1 脊柱側(cè)彎矯正的受力分析

脊柱側(cè)彎的力學(xué)定義為脊椎骨之間或之內(nèi)不正常的變形(過(guò)多的彎曲或過(guò)大的轉(zhuǎn)動(dòng))。在脊柱側(cè)彎的矯形中，軸向力和橫向力有較多的應(yīng)用,軸向力常應(yīng)用在骨骼肌的牽引、Milwaukee架和Harrington系統(tǒng)等;橫向力常應(yīng)用在Milwaukee架和Risser桌。為了比較脊柱側(cè)彎矯正中的軸向力、橫向力和兩者復(fù)合力的靜力學(xué)行為，將脊柱簡(jiǎn)化為二維模型。

假設(shè)僅有軸向力施加在脊柱上，如圖1(a)所示。軸向力作用在脊柱節(jié)段的兩點(diǎn)A和B，A點(diǎn)的軸向力向上而B(niǎo)點(diǎn)的軸向力向下。A和B點(diǎn)的軸向力對(duì)脊柱有牽拉變直的效應(yīng)。值得注意的是，實(shí)際中采用的牽拉機(jī)制作用在各個(gè)椎間盤(pán)上。C點(diǎn)為扭轉(zhuǎn)中心，在同一個(gè)額狀面上運(yùn)動(dòng)。AC和BC段模擬了脊柱側(cè)彎Cobb角的畸形。定義軸向力形成的矯正力矩(即折彎力矩)為作用力F乘以頂椎到作用力的垂直距離。對(duì)于僅有軸向力施加在脊柱上的情況，矯正力矩為：

(1)

式中:L為AC段和BC段的長(zhǎng)度;F為軸向力的大小;β為AC與AB段形成的夾角。

(a) 軸向力

(b) 橫向力

(c) 復(fù)合力

圖1 脊柱受力示意圖

假設(shè)僅有橫向力施加在脊柱上，如圖1(b)所示。橫向力F作用在C點(diǎn)，在A和B兩點(diǎn)上產(chǎn)生0.5F的作用力使之平衡。A和B點(diǎn)的橫向力對(duì)脊柱有擠推變直的效應(yīng)。定義橫向力形成的矯正力矩(即折彎力矩)為作用力F乘以頂椎到端椎的垂直距離。C點(diǎn)處形成矯正力矩，其作用在不同的椎間盤(pán)上形成矯正作用。對(duì)于僅有橫向力施加在脊柱上的情況，矯正力矩Ma為：

Ma=0.5FLcosβ

(2)

由以上分析可見(jiàn)，側(cè)彎的嚴(yán)重程度越大，頂椎到作用力的垂直距離就越長(zhǎng)，且頂椎到端椎的垂直距離越短，即軸向力形成的矯正力矩隨著畸形程度的加重而增加，而橫向力形成的矯正力矩隨著畸形程度的加重而減少?？梢?jiàn)在脊柱側(cè)彎的矯正過(guò)程中，軸向力和橫向力發(fā)揮了不同的作用。側(cè)彎嚴(yán)重的情況下,軸向力發(fā)揮的作用較大;而側(cè)彎較輕的情況下,橫向力發(fā)揮的作用更顯著。若軸向力和橫向力同時(shí)作用在脊柱上，矯正效果應(yīng)該最佳。

假設(shè)軸向力和橫向力共同施加在脊柱上，如圖1(c)所示。對(duì)于同時(shí)有軸向力和橫向力施加在脊柱上的情況，矯正力矩Ma為：

Ma=FLsinβ+0.5FLcosβ

(3)

由以上對(duì)脊柱側(cè)彎恢復(fù)時(shí)受力進(jìn)行分析可知，無(wú)論脊柱變形程度多大，軸向牽引與橫向擠推的組合受力方式對(duì)于脊住微變有著最佳的效果。

2 坐姿正脊按摩椅設(shè)計(jì)

從脊柱靜態(tài)受力的分析中得出了軸向牽引加橫向受力載荷對(duì)脊柱微變形回復(fù)有著最佳的效果。根據(jù)這種受力模式，針對(duì)脊柱有變形趨勢(shì)和脊柱微變形的成人人群，設(shè)計(jì)了一種基于按摩椅的裝置。該按摩椅從尺寸、質(zhì)量、材質(zhì)、智能設(shè)計(jì)、指示標(biāo)志、曲線等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，不僅滿足患者對(duì)產(chǎn)品功效的需要，同時(shí)也滿足了實(shí)用、安全、舒適的需求。

2.1 按摩椅組成

坐姿正脊按摩椅主要包括座椅、靠背、扶手、牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)組成。目前市面上按摩椅的按摩機(jī)構(gòu)大多由滑輪結(jié)構(gòu)組成，對(duì)脊柱的施力方式一般都是軸向或徑向，這些結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡并不能很好地預(yù)防或糾正脊柱的微變形。文中按照受力模式的最佳狀態(tài)設(shè)計(jì)一種機(jī)械結(jié)構(gòu)。如圖2所示，在靠背上固定一個(gè)裝配板，在裝配板中軸線上對(duì)應(yīng)于人體脊柱周?chē)鷮?duì)稱(chēng)分布4個(gè)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)。圖3為轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)示意圖,每個(gè)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)上均勻分布有3個(gè)圓柱形滾珠。轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)的圓柱根部接入電機(jī)。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，圓柱形滾珠進(jìn)行一定頻率的圓周旋轉(zhuǎn)，并作用在后背上進(jìn)行滾動(dòng)，后背受到的切向力傳到脊柱上，實(shí)現(xiàn)牽引和拉伸脊柱的功能。4個(gè)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)有著不同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，滾動(dòng)形式的受力圖解如圖4所示。左上側(cè)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)由脊柱外側(cè)向脊柱內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng);而右上側(cè)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與其相反，左下側(cè)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)由脊柱內(nèi)側(cè)向脊柱外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng);而右下側(cè)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與其相反。

圖2 正脊按摩椅設(shè)計(jì)示意圖圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向

依靠滾輪產(chǎn)生的摩擦力無(wú)法達(dá)到牽引的效果，因此在正脊按摩椅中加入了牽引機(jī)構(gòu)。牽引機(jī)構(gòu)由牽引帶、下巴托帶、牽引架和控制端組成(見(jiàn)圖2)。牽引架組裝在靠背上側(cè)，牽引帶垂懸在牽引架下方，下巴托帶連接著兩條牽引帶。通過(guò)控制端可以調(diào)節(jié)牽引架提供的軸向牽引力，實(shí)現(xiàn)拉伸脊柱的功能。值得說(shuō)明的是，轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)不僅提供了橫向力，還提供了縱向力，間接增加了牽引力，在小范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)牽引質(zhì)量即可，增加人體的舒適感。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析

盡管4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，但是它們?cè)谌梭w背部施加的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力和轉(zhuǎn)矩的數(shù)值大小相同。取一轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，設(shè)橫向?yàn)閄軸，徑向?yàn)閅軸(Y軸與人體脊柱相重合)，轉(zhuǎn)矩Ma由電機(jī)提供，其與桿長(zhǎng)L和滾動(dòng)摩擦力F的關(guān)系可以表示為：

Ma=3FL

(4)

對(duì)F沿X軸和Y軸進(jìn)行分解后分別得到：

(5)

式中,t為滾動(dòng)摩擦力F和橫軸之間的夾角。

針對(duì)一個(gè)已變形的脊柱進(jìn)行受力分析，將下側(cè)一對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為研究對(duì)象，如圖5所示。圖中x1和x2分別為機(jī)構(gòu)中心到脊柱Y軸的距離，x2>x1。

圖5 已變形脊柱受力圖

轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用在肌肉上，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)施加的力會(huì)由于肌肉組織的變形而收縮或者擴(kuò)張。肌肉的變形屬于彈性變形，可將背部集群均分成單個(gè)肌肉群，則局部肌肉受力形式簡(jiǎn)化為：

(6)

式中：F為機(jī)構(gòu)施加的橫向力或縱向力；Fp為肌肉受力；xi(i=1,2,…,n)為局部肌肉的位移形變量；n為肌肉群數(shù)量；k為肌肉勁度系數(shù)。

在X方向上左側(cè)力和右側(cè)力的平衡方程分別為：

(7)

kx1+kx2+kx3+…+kxn=

kx1+kx2+kx3+…+kxm

(8)

若對(duì)右側(cè)力肌肉群的劃分更多，即m>n，則式(8)意味著方程左側(cè)的項(xiàng)數(shù)較多，即X方向上左側(cè)力和右側(cè)力的合力向右。

在Y方向上上側(cè)力和下側(cè)力的平衡方程分別為：

(9)

(10)

若對(duì)右側(cè)力肌肉群的劃分更多，即m>n，則式(3)～(10)意味著方程左側(cè)的項(xiàng)數(shù)較多，即Y方向上上側(cè)力和下側(cè)力的合力向上。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在脊柱上的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)作用力的合力大小為：

(11)

3 坐姿正脊按摩椅的受力分析

為了比較轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的橫向載荷和縱向載荷對(duì)脊柱矯正的影響，在ANSYS中將牽引力和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的橫向載荷和縱向載荷均設(shè)定為靜態(tài)力。圖6所示為牽引力為10 N時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的橫向載荷和縱向載荷的改變對(duì)脊柱微變的影響。其中圖6(a)所示為橫向載荷為0 N、縱向載荷為5 N時(shí)脊柱總變形量隨脊柱軸向長(zhǎng)度的分布。由圖可見(jiàn)，脊柱總變形量在脊柱側(cè)彎處達(dá)到最大值11.707 mm，最大總變形量隨著脊柱側(cè)彎最大處向上或向下距離的加大而逐漸下降。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的縱向載荷對(duì)脊柱上部產(chǎn)生的變形高于對(duì)脊柱下部產(chǎn)生的變形。圖6(b)所示為橫向載荷為5 N、縱向載荷為0 N時(shí)脊柱總變形量隨脊柱軸向長(zhǎng)度的分布。由圖可見(jiàn)，脊柱總變形量在脊柱變形處達(dá)到峰值11.703 mm，這接近于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)僅提供5 N縱向載荷時(shí)對(duì)脊柱產(chǎn)生的最大總變形量。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的橫向載荷對(duì)脊柱上部產(chǎn)生的總變形較高，而橫向載荷對(duì)脊柱下部產(chǎn)生的總變形較低。

(a)橫向載荷=0N,縱向載荷=5N(b)橫向載荷=5N,縱向載荷=0N

圖6 牽引力為10 N時(shí)，橫向載荷和縱向載荷的改變對(duì)脊柱微變的影響

圖7所示為牽引力固定為10 N時(shí)，改變轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)提供的復(fù)合載荷時(shí)對(duì)脊柱微變的影響。轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合載荷分別設(shè)定為5、10和15 N。圖7(a)所示為復(fù)合載荷為5 N時(shí)脊柱總變形量隨脊柱軸向長(zhǎng)度的分布。脊柱總變形量的最大值為16.389 mm，出現(xiàn)在脊柱變形最大處。與牽引力為10 N時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)僅提供5 N橫向載荷時(shí)相比，脊柱總變形量增大了4.682 mm。圖7(b)所示為復(fù)合載荷為10 N時(shí)脊柱總變形量隨脊柱軸向長(zhǎng)度的分布。脊柱總變形量的最大值仍出現(xiàn)在脊柱側(cè)彎最嚴(yán)重的部位，其值為28.083 mm。圖7(c)所示為復(fù)合載荷為15 N時(shí)脊柱總變形量隨脊柱軸向長(zhǎng)度的分布。脊柱總變形量的最大值為44.794 mm，位于脊柱變形最大的位置?？梢?jiàn)，當(dāng)牽引力固定為10 N時(shí)，隨著轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合載荷從5 N變化到10 N，脊柱總變形量從16.389 mm增大到28.083 mm，增加幅度達(dá)到71.35%。而轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合載荷從10 N加大到15 N時(shí)，脊柱總變形量從28.083 mm增大到44.794 mm，增加幅度為59.51%。此外，圖7還顯示出轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合載荷對(duì)脊柱上部產(chǎn)生的變形高于對(duì)脊柱下部產(chǎn)生的變形。

(a) Fs=5 N

(b) Fs=10 N

(c) Fs=15 N

圖7 牽引力為10 N時(shí)，轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合載荷的改變對(duì)脊柱微變的影響

圖8所示為轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合力固定為10 N，改變牽引力時(shí)對(duì)脊柱微變的影響。牽引力分別設(shè)定為0、15和20 N，而圖7(b)顯示了轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合力固定為10 N時(shí)牽引力為10 N的情況。圖8(a)所示為牽引力為0 N時(shí)脊柱總變形量隨脊柱軸向長(zhǎng)度的分布。脊柱總變形量的最大值為26.212 mm，出現(xiàn)在脊柱變形最大處。圖8(b)所示為牽引力為15 N時(shí)脊柱總變形量隨脊柱軸向長(zhǎng)度的分布。脊柱總變形量的最大值仍出現(xiàn)在脊柱側(cè)彎最嚴(yán)重的部位，其值為48.197 mm。圖8(c)所示為牽引力為20 N時(shí)脊柱總變形量隨脊柱軸向長(zhǎng)度的分布。脊柱總變形量的最大值為60.125 mm，位于脊柱變形最大的位置?？梢?jiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合力為10 N時(shí)，隨著牽引力從0 N變化到10 N，脊柱總變形量從26.212 mm增大到28.083 mm，增加幅度達(dá)到7.13%。牽引力從10 N加大到15 N時(shí)，脊柱總變形量從28.083 mm增大到48.197 mm，增加幅度為71.62%。牽引力從15 N加大到20 N時(shí)，脊柱總變形量從48.197 mm增大到60.125 mm，增加幅度為24.75%。值得注意的是，雖然牽引力的加大提升了脊柱總變形量。但是從圖8(b)和8(c)可以看出，脊柱上部和下部的變形非常明顯，整個(gè)脊柱的軸向不再處于垂直方向?？梢?jiàn)在固定的轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合力下，過(guò)大的牽引力會(huì)引起脊柱過(guò)度矯正，導(dǎo)致脊柱不再垂直。此外，圖8還顯示出牽引力對(duì)脊柱上部產(chǎn)生的變形高于對(duì)脊柱下部產(chǎn)生的變形。綜合以上轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合力和牽引力對(duì)脊柱微變的影響分析，在轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合力為10 N時(shí)，建議牽引力不高于10 N。

(a) 牽引力0 N

(b) 牽引力15 N

(c) 牽引力20 N

4 結(jié) 論

以脊柱側(cè)彎的生物力學(xué)特性為依據(jù)，針對(duì)脊柱有變形趨勢(shì)和脊柱微變形的成人人群，設(shè)計(jì)了一種具有矯正脊柱側(cè)彎功能的按摩椅，利用ANSYS軟件對(duì)按摩椅進(jìn)行了力學(xué)研究，可以得到如下結(jié)論：

(1) 軸向牽引和橫向拉伸的聯(lián)合載荷對(duì)脊柱側(cè)彎有著最佳的矯正效果。

(2) 牽引力為10 N時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供5 N橫向載荷或5 N縱向載荷時(shí)對(duì)脊柱產(chǎn)生的最大總變形量沿脊柱軸向的變化幾乎一致。轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)提供的載荷對(duì)脊柱上部產(chǎn)生的總變形較高，而對(duì)脊柱下部產(chǎn)生的總變形較低。

(3) 轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合載荷和牽引載荷對(duì)脊柱矯正微變有著不同的影響。牽引力固定為10 N時(shí)，隨著轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)提供復(fù)合載荷從5 N增加到10 N和15 N，脊柱總變形量增加幅度分別為71.35%和173.32%。當(dāng)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)合力固定為10 N時(shí)，隨著牽引機(jī)構(gòu)提供牽引載荷從0 N增加到10 N和20 N，脊柱總變形量增加幅度分別為7.13%和83.87%。

(4) 當(dāng)牽引載荷和轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)提供復(fù)合載荷的總載荷不變時(shí)，牽引載荷越大，脊柱總變形量越多，轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)提供復(fù)合載荷引起的脊柱總變形量的增長(zhǎng)趨勢(shì)不如牽引載荷引起的脊柱總變形量的增長(zhǎng)趨勢(shì)，轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)提供的軸向和橫向載荷可以彌補(bǔ)牽引載荷不足，改善了患者在康復(fù)保健過(guò)程中的舒適性。

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Research on Sitting Posture Spinal Mechanism and Device Design

LIDi,CHENGGuang,ZHANGJian,CHENQiuyuan

(1. Beijing Engineering Research Center of Smart Machinery Innovation Design Service. Beijing 100020, China;2. College of Robot, Beijing Union University, Beijing 100020, China)

Scoliosis in recent years is one of the more common spinal disease, its treatment includes conservative treatment and surgical treatment. From the force analysis of scoliosis correction, the spine is simplified to a two-dimensional model, the characteristics of the scoliosis correction of axial load and horizontal load, and the statics of composite load are compared. Through the analysis of the mechanics of traction mechanism and the rotating mechanism, the biomechanics properties yielded under applying pressure of spinal massage chair are obtained when patient has a right posture. Using ANSYS software the corrective effect of sitting position by spinal massage chair is simulated. Changing the traction and the rotating mechanisms, the influences of traction institutions and wheeling drift of the spine are analyzed. Final a spinal massage chair with sitting position is designed, mainly includes seat, back of a chair, armrest, traction mechanism and the organizations of the wheel parts.

scoliosis; force analysis; correction; massage armchair design

2016-12-12

北京聯(lián)合大學(xué)2016教改重點(diǎn)項(xiàng)目(JJ2016Z005)

李 迪(1992-)，男，北京人，碩士生，主要研究方向?yàn)槿藱C(jī)工程學(xué)。Tel.:13716252062;E-mail:105078188@qq.com

程 光(1964-)，男，江蘇南通人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槿藱C(jī)工程學(xué)。

Tel.:010-65917507;E-mail:chengguang@buu.edu.cn

N 33

A

1006-7167(2017)06-0068-05