康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)的設(shè)計(jì)及研究

張龍

摘 要：臨床實(shí)驗(yàn)表明，大部分下肢功能障礙都可以通過(guò)科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練來(lái)提高運(yùn)動(dòng)能力，本文基于該種現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一款能用于幫助下肢障礙者進(jìn)行康復(fù)使用的康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)。通過(guò)動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)，獲得了特定人體正常行走時(shí)的步態(tài)軌跡，采用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用遺傳算法對(duì)平面連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到了與人體正常步態(tài)軌跡比較接近的連桿機(jī)構(gòu)尺寸及其對(duì)應(yīng)的空間位置，并用SolidWorks軟件建立了康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)的三維模型。通過(guò)設(shè)計(jì)康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)，為后續(xù)的康復(fù)訓(xùn)練提供服務(wù)。

關(guān)鍵詞：步態(tài)軌跡；遺傳算法；康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)；有限元分析

中圖分類號(hào)：TH789 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的生活水平、醫(yī)療條件逐步提高，但是下肢行走失能人數(shù)也在不斷增長(zhǎng)。疾病因素是我國(guó)老年肢體殘疾人群的主要致殘?jiān)?。?duì)于運(yùn)動(dòng)失能的人群，盡早進(jìn)行合理的康復(fù)訓(xùn)練，可以促進(jìn)大腦皮層的可塑性發(fā)展，恢復(fù)肢體功能，有效地緩解病癥，降低殘疾程度，減少并發(fā)癥。以神經(jīng)可塑性原理為基礎(chǔ)的重復(fù)性訓(xùn)練可實(shí)現(xiàn)患者大腦功能重組，通過(guò)機(jī)械裝置輔助訓(xùn)練有望使患者逐漸康復(fù)。部分減重步行訓(xùn)練在臨床上的應(yīng)用就是基于上述原理。患者進(jìn)行減重步行訓(xùn)練時(shí)，一般需要兩名康復(fù)師來(lái)輔助，但是康復(fù)師的數(shù)量有限，難以滿足患者的需求，也無(wú)法保證患者的康復(fù)訓(xùn)練時(shí)間和強(qiáng)度，這使需要人工輔助的康復(fù)訓(xùn)練的實(shí)際療效受到制約。因此，開(kāi)拓更加廣泛的康復(fù)訓(xùn)練手段和進(jìn)一步提高康復(fù)效率是解決患者運(yùn)動(dòng)功能障礙的當(dāng)務(wù)之急。

本文旨在設(shè)計(jì)一款基于平面連桿機(jī)構(gòu)的能近似實(shí)現(xiàn)正常步態(tài)軌跡與步行速度的家庭用訓(xùn)練臺(tái)，該訓(xùn)練臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，使用安全，能夠?yàn)榛颊咛峁┖侠淼乜祻?fù)訓(xùn)練。

1.康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)的設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)步態(tài)訓(xùn)練臺(tái)，首先應(yīng)了解人體下肢運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。對(duì)于下肢存在運(yùn)動(dòng)障礙的患者而言，如果進(jìn)行相應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，則能夠帶動(dòng)下肢肌肉進(jìn)行收縮與拉伸，促進(jìn)下肢運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)重建，從而達(dá)到下肢康復(fù)的目的。步態(tài)是指人行走時(shí)的姿態(tài)，正常的步態(tài)是人體以最自然、最舒適的方式完成行走的步態(tài)，通常需要神經(jīng)系統(tǒng)以及骨骼、肌肉進(jìn)行協(xié)調(diào)完成。有研究表明，人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的步態(tài)軌跡是一個(gè)近似橢圓的軌跡，同時(shí)，該軌跡并非一成不變地適用于每一個(gè)個(gè)體。對(duì)于不同身高、體重、年齡的人而言，其步態(tài)軌跡均是有所差異的。而且，有相關(guān)醫(yī)學(xué)研究表示，下肢康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)人體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，各項(xiàng)步態(tài)參數(shù)對(duì)于康復(fù)訓(xùn)練十分關(guān)鍵，這些參數(shù)對(duì)于患者的康復(fù)效果起著決定性作用，并對(duì)康復(fù)后患者的步態(tài)有著較大的影響。因此，為患者提供近似的或者更加精確的步態(tài)軌跡顯得尤為重要。

為了獲取人在正常行走時(shí)的步態(tài)軌跡，首先運(yùn)用三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)。圖1為經(jīng)過(guò)處理后得到的踝關(guān)節(jié)的軌跡。

位置偏差為期望軌跡與生成軌跡對(duì)應(yīng)點(diǎn)Cdi和Ci之間歐氏距離的平方和。Cdi=[CiXd，CiYd]T是期望軌跡目標(biāo)點(diǎn)，在本文中也就是指通過(guò)動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)得到的人體正常步態(tài)軌跡的空間位置點(diǎn)。Ci=[CXi，CYi]T=[CX（θi2 ），CY（θi2 ）]T是生成軌跡上與曲柄轉(zhuǎn)角θi2 對(duì)應(yīng)的位置點(diǎn)。其中為位置偏差，Mh（X）為罰函數(shù)，來(lái)源于對(duì)機(jī)構(gòu)施加的設(shè)計(jì)約束。

當(dāng)滿足機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件時(shí)，M=0，h（X）=0當(dāng)不滿足曲柄存在的條件時(shí)，M是一個(gè)很大的數(shù)，h（X）=1。為使求解得到的機(jī)構(gòu)尺寸合理實(shí)用，各變量的取值范圍應(yīng)限制在合理的范圍內(nèi)。為使求解得到的機(jī)構(gòu)尺寸合理實(shí)用，各變量的取值范圍應(yīng)限制在合理的范圍內(nèi)。初始種群是在搜索空間范圍內(nèi)隨機(jī)生成的設(shè)計(jì)變量的組合。本文中在變量范圍內(nèi)隨機(jī)生成NP個(gè)個(gè)體作為初始種群。初始種群需要不斷地向較好的解的群體進(jìn)化，這是通過(guò)自然選擇，交叉，變異過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。適用度函數(shù)表征結(jié)果的適應(yīng)能力，作為自然選擇的依據(jù)，用來(lái)區(qū)分種群中個(gè)體的優(yōu)劣。由于機(jī)構(gòu)綜合時(shí)目標(biāo)函數(shù)越小越好，因此適用度函數(shù)取目標(biāo)函數(shù)的倒數(shù)。變異操作的主要目的是維持種群的多樣性。變異的過(guò)程是首先在群體中隨機(jī)選擇一個(gè)個(gè)體，然后將選中的個(gè)體按照一定的概率Pm隨機(jī)的改變?nèi)旧w中某個(gè)基因的值。Pm通常比較小。針對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，種群規(guī)模取150，進(jìn)化代數(shù)取200，變異概率取0.1，交叉概率取0.6，運(yùn)用MATLAB軟件，編寫遺傳算法程序代碼，計(jì)算得到的最優(yōu)結(jié)果如下所示：

其中l(wèi)1，l2，l3，l4分別為機(jī)架、曲柄、連桿、搖桿的長(zhǎng)度；r、α代表了執(zhí)行點(diǎn)相對(duì)于連桿的位置；θ0表示機(jī)架傾斜的角度。對(duì)所得的尺寸進(jìn)行圓整。

2.康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)的三維模型

由遺傳算法確定了機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)機(jī)尺寸，應(yīng)用SolidWorks軟件建立訓(xùn)練臺(tái)的三維模型如圖3所示。訓(xùn)練臺(tái)主要由機(jī)架、曲柄、連桿、搖桿、鞍座、電機(jī)、鏈輪、鏈條、曲柄小軸、曲柄滑軸、前后中軸、軸承、軸承端蓋、螺栓、踏板等零部件組成。運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。將裝配好的康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)模型施加運(yùn)動(dòng)仿真，并用SolidWorks軟件中的Motion分析進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，分別得到踏板中心（即患者腳心）處在X軸與Y軸方向上的速度、加速度。將分析結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，編寫程序得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的速度、加速度圖像如圖4所示。故該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)得到的軌跡接近人體正常步態(tài)軌跡，故選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)最為康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)的主體框架結(jié)構(gòu)。

結(jié)論

本文從訓(xùn)練康復(fù)下肢障礙患者的角度出發(fā)，選擇了足部驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究；通過(guò)動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)，獲得了人體正常行走時(shí)的步態(tài)軌跡，并用MATLAB編寫程序，運(yùn)用遺傳算法（GA）對(duì)平面連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化綜合，得到了能夠近似實(shí)現(xiàn)人體正常步態(tài)軌跡的機(jī)構(gòu)尺寸及其對(duì)應(yīng)的空間位置。根據(jù)求解得到的機(jī)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)，并建立了訓(xùn)練臺(tái)的三維模型。明確了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)的可行性與正確性，為后續(xù)的工程生產(chǎn)制作提供理論參考。

參考文獻(xiàn)

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