基于爬行運(yùn)動(dòng)的脊柱康復(fù)訓(xùn)練儀的設(shè)計(jì)*

肖陽(yáng)，徐秀林

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

1 引 言

如今脊椎病已經(jīng)成為中老年人的多發(fā)病，且趨于年輕化。有研究顯示[1]，現(xiàn)在由于青少年生活、學(xué)習(xí)、工作習(xí)慣不好，造成了青少年脊柱側(cè)彎癥發(fā)病率高達(dá)25%[2]，我國(guó)僅上海脊椎病發(fā)病率高達(dá)13.7%[3],國(guó)外有些國(guó)家脊椎病的發(fā)病率大約在40%左右[4],因此，對(duì)于脊椎病的康復(fù)治療非常迫切。人體脊柱具有支撐軀干，吸收震蕩，保存脊髓，保護(hù)內(nèi)臟等作用[5]。一個(gè)好的脊椎對(duì)于人們的身心健康起著至關(guān)重要的作用，可是現(xiàn)在人們上班工作大多是坐姿或者站姿，而且坐姿不標(biāo)準(zhǔn)且坐立時(shí)間較長(zhǎng)，極易導(dǎo)致脊椎關(guān)節(jié)錯(cuò)位壓迫神經(jīng)、腰椎間盤突出以及附著在脊椎上的器官受到損傷而引起疾病[6-7]。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，爬行動(dòng)物由于長(zhǎng)期進(jìn)行爬行運(yùn)動(dòng)，所以很少患有脊椎病[8-9]。有大量調(diào)查研究表明，爬行訓(xùn)練能有效治療腰肌勞損、坐骨神經(jīng)痛、頸椎病等脊柱相關(guān)的疾病[10]。但是進(jìn)行爬行運(yùn)動(dòng)時(shí)有很多不便，如場(chǎng)地限制。而且對(duì)于患有嚴(yán)重脊柱病的患者根本不能自主爬行。因此，許多爬行器應(yīng)運(yùn)而生，爬行器對(duì)場(chǎng)地要求不高，在家里就可以進(jìn)行爬行運(yùn)動(dòng)。

國(guó)外對(duì)爬行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練設(shè)備的研究較早。在70年代中期Tidwell[11]等發(fā)明了身體協(xié)調(diào)性訓(xùn)練裝置，該裝置具備三種爬行模式：雙臂和雙腿同時(shí)前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)；同側(cè)手臂和腿同時(shí)前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)；對(duì)側(cè)手臂和腿同時(shí)前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練兒童或肢體脊柱患者肢體運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性。1989年，Iams[12]等發(fā)明了爬行運(yùn)動(dòng)裝置，Canela[13]等上世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)的殘疾兒童運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練裝置是一款專為肌肉運(yùn)動(dòng)障礙的兒童設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練裝置。在我國(guó)，有關(guān)爬行運(yùn)動(dòng)對(duì)脊柱的康復(fù)臨床作用研究較早，但沒(méi)有適合脊柱病康復(fù)的被動(dòng)訓(xùn)練儀。但也有一部分研究人員設(shè)計(jì)出了不少爬行訓(xùn)練機(jī)[14-15]，雖然功能不夠完善，但也算是一個(gè)開(kāi)端。目前市場(chǎng)上的爬行器產(chǎn)品功能比較單一，且以主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的健身器械為主，不利于脊椎病較嚴(yán)重的患者使用。針對(duì)上述缺陷，本研究設(shè)計(jì)了一套俯臥式多態(tài)脊柱康復(fù)訓(xùn)練與評(píng)估系統(tǒng)，為脊柱側(cè)彎等脊柱疾病患者提供多種模式的人體俯臥式脊柱康復(fù)訓(xùn)練。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)

該俯臥式多態(tài)脊柱康復(fù)與評(píng)估系統(tǒng)主要分為爬行訓(xùn)練裝置主體、控制主機(jī)和控制軟件三部分。訓(xùn)練裝置主要包括上肢爬行機(jī)構(gòu)、下肢爬行機(jī)構(gòu)、腹部支撐機(jī)構(gòu)、擺尾機(jī)構(gòu)、升高機(jī)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.1 上、下肢爬行機(jī)構(gòu)

由于需要進(jìn)行擺尾運(yùn)動(dòng)，所以采用上下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分體設(shè)計(jì)。爬行機(jī)構(gòu)分為下肢爬行機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2)和上肢爬行機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。上肢把手和下肢腿托都是通過(guò)滾珠絲杠模組驅(qū)動(dòng)的，被動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，上肢把手和下肢腿托通過(guò)插銷片連接模組上的滑塊，在滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為了保證滾珠絲杠的剛度，在其兩側(cè)安裝有導(dǎo)桿，并在其上方安裝有支撐板，在把手和腿托下方各安裝有四個(gè)尼龍滾輪。主動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，插銷片拔起，上肢把手和下肢腿托與滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)脫離。為了防止把手與腿托左右運(yùn)動(dòng)，在支撐板上開(kāi)一個(gè)槽，在槽兩側(cè)安裝直線滑軌，并配有小滑塊。把手和腿托固定連接在小滑塊上。為了適應(yīng)不同身高的患者，腿托后側(cè)腳蹬通過(guò)插銷固定，插銷拔起可調(diào)節(jié)腿托的長(zhǎng)度，根據(jù)文獻(xiàn)[16]選擇腿托調(diào)節(jié)范圍為400～600 mm。被動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在滾珠絲杠的帶動(dòng)下，同側(cè)上下肢運(yùn)動(dòng)方向相反，左右兩肢的運(yùn)動(dòng)方向也相反，如此協(xié)調(diào)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，模擬爬行運(yùn)動(dòng)。

圖1訓(xùn)練裝置整體結(jié)構(gòu)

1.腹部支撐機(jī)構(gòu) 2.上肢爬行機(jī)構(gòu) 3.下肢爬行機(jī)構(gòu) 4.擺尾機(jī)構(gòu) 5.升高機(jī)構(gòu)

Fig1Overallstructureofthetrainingdevice

圖2 下肢爬行機(jī)構(gòu)

圖3 上肢爬行機(jī)構(gòu)

2.2 擺尾機(jī)構(gòu)

擺尾運(yùn)動(dòng)是此訓(xùn)練系統(tǒng)的一大亮點(diǎn)，此功能可以幫助不能自主進(jìn)行扭腰運(yùn)動(dòng)的患者進(jìn)行較小幅度的扭腰運(yùn)動(dòng)。這樣可以刺激到相關(guān)神經(jīng)和肌肉，從而促進(jìn)患者大腦皮質(zhì)重組恢復(fù)扭腰的能力。擺尾機(jī)構(gòu)是通過(guò)一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)下肢支撐板繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸左右擺動(dòng)，見(jiàn)圖4。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)安裝在下肢支撐板的中間位置，轉(zhuǎn)動(dòng)軸在支撐板前面，支撐板后面通過(guò)支撐臺(tái)來(lái)支撐，支撐臺(tái)上安裝有牛眼以減小左右擺動(dòng)時(shí)的摩擦力。運(yùn)動(dòng)時(shí)，患者跪在腿托上，俯臥在腹部支撐上，雙手抓住把手保持穩(wěn)定，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下肢支撐板擺動(dòng)從而帶動(dòng)患者進(jìn)行扭腰運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)角度為-12°～12°，此角度不宜過(guò)大以免造成運(yùn)動(dòng)損傷。

圖4擺尾機(jī)構(gòu)

1.轉(zhuǎn)動(dòng)軸 2.牛眼 3.曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 4.支撐臺(tái)

Fig4Waggingtailinstitution

2.3 腹部支撐機(jī)構(gòu)

結(jié)構(gòu)中創(chuàng)新引入腹部支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在不同程度減重下進(jìn)行多種模式的訓(xùn)練，適合脊柱病較嚴(yán)重的患者進(jìn)行初期康復(fù)訓(xùn)練。腹部支撐位置可以前后、上下調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同要求的患者。此機(jī)構(gòu)由三部分組成前后調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、托腹板，見(jiàn)圖5(a)。前后調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是一個(gè)直線滑軌與滑塊的配合，滑軌上開(kāi)有槽口，滑塊側(cè)邊安裝有固定夾，調(diào)節(jié)時(shí)按開(kāi)夾子，調(diào)好后松開(kāi)夾子，這樣夾子就會(huì)夾緊在滑軌的槽口里了，其放大結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5(b)。高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是安裝在滑塊上面的，此機(jī)構(gòu)是齒輪齒條配合。拔起插銷，擰動(dòng)齒輪，齒條可以上下運(yùn)動(dòng)以調(diào)節(jié)合適的高度，調(diào)好后放下插銷，機(jī)構(gòu)就固定住了。托腹板是通過(guò)連接塊固定在齒條頂端的，其與連接塊之間安裝有壓力傳感器，這樣就可以測(cè)出減重程度，有利于醫(yī)生對(duì)患者康復(fù)狀況進(jìn)行評(píng)估。高度調(diào)節(jié)范圍為295～415 mm。

2.4 升高機(jī)構(gòu)

攀高爬行、俯式爬行是兩種比較特殊的脊柱康復(fù)訓(xùn)練模式，且強(qiáng)度比較大不太適合脊椎病嚴(yán)重的患者。為了實(shí)現(xiàn)這兩種運(yùn)動(dòng)模式，在系統(tǒng)中加入了升高機(jī)構(gòu)。在側(cè)梁的兩側(cè)各安裝了一個(gè)升高機(jī)構(gòu)。升高機(jī)構(gòu)以滾珠絲杠模組為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)柱形滑軌與側(cè)梁上固定的直線滑軌機(jī)構(gòu)相連，滾珠絲杠由伺服電機(jī)帶動(dòng)。當(dāng)需要進(jìn)行攀高爬行時(shí)，前側(cè)的升高機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)前側(cè)整體抬高，與地面最大傾角為20°，后側(cè)升高機(jī)構(gòu)保持不動(dòng)，見(jiàn)圖6。進(jìn)行俯式爬行時(shí)，前、后升高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況對(duì)調(diào)。

圖5(a) 腹部支撐機(jī)構(gòu)；圖5(b)鎖定機(jī)構(gòu)

Fig5(a)Abdominalsupportmechanism；Fig5(b)Lockingmechanism

圖6升高機(jī)構(gòu)

1.側(cè)梁 2.直線滑軌機(jī)構(gòu) 3.滾珠絲杠模組 4.柱形滑軌

Fig6Raisingmechanism

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由于沒(méi)有加工實(shí)物，所以下面通過(guò)仿真軟件對(duì)訓(xùn)練裝置的主要運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，從而得到一些運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，方便控制電機(jī)的選擇，也有利于對(duì)訓(xùn)練裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 上下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

通過(guò)對(duì)已有爬行機(jī)進(jìn)行測(cè)繪，設(shè)定上下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可運(yùn)動(dòng)的最大距離分別為545 mm和450 mm。正常人行走的速度為1 m/s，人在跪姿時(shí)腿長(zhǎng)相對(duì)縮短了一半，所以爬行速度取0.5 m/s，由于運(yùn)動(dòng)時(shí)左右相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以正常單邊速度為0.25 m/s，由于是被動(dòng)運(yùn)動(dòng)而且患者行動(dòng)能力差，所以速度不宜過(guò)快以免造成運(yùn)動(dòng)損傷，綜合考慮，最高被動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度定為0.2 m/s，患者最高重量按100 kg算，四肢分別承重25 kg，以上肢運(yùn)動(dòng)為例，手把重量為2 kg，導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為u=0.1，患者在被動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，四肢與支撐板的角度會(huì)不斷變化，會(huì)產(chǎn)生軸向負(fù)載，軸向最大負(fù)載按患者四肢與支撐板成45°角時(shí)計(jì)算。

F=250/√2+(250/√2+20)×0.1=196 N取200 N進(jìn)行計(jì)算。

將上肢運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)入SolidWorks Motion模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。仿真結(jié)果見(jiàn)圖7(a)、7(b)。

圖7(a) 上下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)馬達(dá)角速度

圖7(b) 上下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩

Fig7(b)Themotortorqueofupperandlowerlimbsmovingmechanism

3.2 升高機(jī)構(gòu)

此機(jī)構(gòu)主要用于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)俯式爬行和攀高爬行。由于運(yùn)動(dòng)模式單一，所以選擇普通電機(jī)即可。將升高機(jī)構(gòu)導(dǎo)入SolidWorks Motion模塊進(jìn)行分析。在絲杠上添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)速見(jiàn)圖8(a)，在兩個(gè)支撐桿上添加豎直向下的力F=1 000 N,經(jīng)仿真得出旋轉(zhuǎn)馬達(dá)力矩變化見(jiàn)圖8(b)。由圖可知運(yùn)動(dòng)速度較慢，但是所需轉(zhuǎn)矩還是很大的，為以后電機(jī)選型提供了參考。

3.3 擺尾機(jī)構(gòu)

此機(jī)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)速不高但對(duì)于轉(zhuǎn)矩要求比較高。仿真時(shí)，在曲柄上添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)M，馬達(dá)轉(zhuǎn)速恒定為12 RPM，根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和人體下肢的總重量500 N，滾動(dòng)摩擦系數(shù)按u=0.05來(lái)算，得出摩擦阻力F=25 N。仿真算出馬達(dá)力矩見(jiàn)圖9，馬達(dá)最大力矩為6.813 Nm,此數(shù)值對(duì)于一般步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)還是很大的，所以在保證電機(jī)尺寸合適的基礎(chǔ)上，又要滿足大力矩、慢轉(zhuǎn)速，還是較難選擇的。因此采用減速增力裝置與電機(jī)配合帶動(dòng)擺尾機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

4 有限元分析

分析整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的受力情況，升高機(jī)構(gòu)為主要受力機(jī)構(gòu)，其中支撐桿和導(dǎo)桿為主要受力部件。升高機(jī)構(gòu)承擔(dān)了患者及上、下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部重量，根據(jù)國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)公報(bào)以及人機(jī)工程學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示[15],我國(guó)成年男性平均體重為67.8 kg，成年女性平均體重為59.6 kg，加上上下肢機(jī)構(gòu)及側(cè)梁的重量，考慮安全性，將分析重量設(shè)計(jì)為400 kg。由于支撐桿有4個(gè)，所以平均每個(gè)承重100 kg。對(duì)以上部件采用ANSYS Workbench進(jìn)行應(yīng)力、變形量的分析，從而判斷其是否滿足強(qiáng)度和剛度要求。

圖8(a) 升高機(jī)構(gòu)馬達(dá)角速度

圖8(b) 升高機(jī)構(gòu)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩

圖9 擺尾機(jī)構(gòu)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩

4.1 升高機(jī)構(gòu)支撐桿的受力分析

由于受力較大，選擇普通碳鋼，其各種屬性見(jiàn)表1。

在裝配體中，支撐桿的下端與底座鉸接在一起，中間部分與滾珠絲杠模組通過(guò)套筒連在一起，所以選擇簡(jiǎn)單支撐約束支撐桿的下端，約束掉支撐桿的所有線性位移自由度，但旋轉(zhuǎn)自由度是自由的。中間部分采用圓柱面約束，選擇約束掉面徑向、切向位移。支撐桿上端與側(cè)梁是鉸接在一起的，受力方向豎直向下，給其上端施加集中力1 000 N，選擇通過(guò)分量定義此力，方便控制力的方向。本零件的分析結(jié)果選取典型的等效應(yīng)力和變形量色帶表達(dá)圖，支撐桿的應(yīng)力圖見(jiàn)圖10(a)，變形量色帶圖見(jiàn)圖10(b)。由圖可知，應(yīng)力、變形量最大點(diǎn)都為鉸接處，且最大應(yīng)力為5.129 MPa，遠(yuǎn)小于普通碳鋼的屈服強(qiáng)度220.594 MPa，所以滿足強(qiáng)度要求。最大變形量為0.00102 mm，滿足剛度要求。計(jì)算結(jié)果表明支撐桿滿足使用要求。

表1 普通碳鋼的屬性

圖10(a)支撐桿應(yīng)力分析圖10(b)支撐桿變形量分析

Fig10(a)StressanalysisofthesupportbarFig10(b)Analysisoftheamountofdeformationofthesupportrods

4.2 升高機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿受力分析

由于受力較大，對(duì)材料剛度要求較高，所以選擇軸承鋼GCr15，其各種屬性見(jiàn)表2。

表2 軸承鋼GCr15的屬性

在裝配體中，導(dǎo)桿的兩端是固定在支撐臺(tái)上的，所以導(dǎo)桿的兩端采用固定約束。由于當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)桿中間時(shí)，其形變最大，經(jīng)過(guò)計(jì)算此時(shí)導(dǎo)桿所承受的力為1804 N，方向豎直向下，所以添加集中力1804 N在導(dǎo)桿中間，選擇通過(guò)分量定義此力，方便控制力的方向。導(dǎo)桿的應(yīng)力見(jiàn)圖11(a)，變形量色帶圖見(jiàn)圖11(b)。由圖11(a)可知，應(yīng)力最大點(diǎn)都為兩端固定處，且最大應(yīng)力為31.33 MPa，遠(yuǎn)小于普通碳鋼的屈服強(qiáng)度518.42 MPa，所以滿足強(qiáng)度要求。由圖11(b)可知，導(dǎo)桿中間的變形量最大，最大變形量為0.11 mm，滿足剛度要求。計(jì)算結(jié)果表明支撐桿能滿足使用要求。

圖11(a)導(dǎo)桿應(yīng)力分析圖11(b)導(dǎo)桿應(yīng)變分析

Fig11(a)StressanalysisofguiderodFig11(b)Strainanalysisofguiderod

5 結(jié)果與討論

本設(shè)計(jì)是基于爬行運(yùn)動(dòng)的脊柱康復(fù)訓(xùn)練儀，其最大優(yōu)點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)模式多樣化。在被動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式下，可以實(shí)現(xiàn)跪撐爬行、攀高爬行、俯式爬行、扭腰擺動(dòng)；在主動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式下，可以實(shí)現(xiàn)跪撐爬行。該設(shè)計(jì)還有運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)反饋的功能，方便醫(yī)生進(jìn)行評(píng)估。不過(guò)由于功能多樣，所以結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致訓(xùn)練儀整體偏重，不利于搬運(yùn)。在以后的研究中可以精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，而且隨著材料科學(xué)的發(fā)展，可以選擇更輕便的材料，從而減輕訓(xùn)練儀整體的重量。還有該設(shè)計(jì)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式過(guò)于單一，以后可以加入抗阻模式，從而可以滿足更多患者康復(fù)后期的要求，通過(guò)不同阻力的加入，讓主動(dòng)運(yùn)動(dòng)變的更加具有挑戰(zhàn)性。