康復(fù)移位機(jī)構(gòu)型綜合和尺度優(yōu)化研究*

任武，任瓊瓊，趙宗亞，于毅

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，新鄉(xiāng)市神經(jīng)傳感與控制工程技術(shù)研究中心，新鄉(xiāng)市生物醫(yī)學(xué)信息研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 新鄉(xiāng) 453003)

1 引 言

近年來(lái)計(jì)算機(jī)在輔助醫(yī)學(xué)工程設(shè)計(jì)和分析中作用明顯增強(qiáng)，為臨床醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用提供了重要支持。截至2016年底，我國(guó)殘疾人口總數(shù)達(dá)9 000萬(wàn)，其中肢體殘疾2 472萬(wàn)人?；颊呖祻?fù)移位機(jī)能實(shí)現(xiàn)患者在床上、臥室、餐廳、浴室、衛(wèi)生間方便轉(zhuǎn)移的功能，因此有廣泛應(yīng)用前景。

國(guó)內(nèi)外對(duì)移位機(jī)的研究主要有：1975年美國(guó)Brown設(shè)計(jì)了一種用于定位升降機(jī)或變速器的升降裝置，減輕了護(hù)理人員的工作量，開創(chuàng)了移位機(jī)研究的先河，但未對(duì)升降裝置的結(jié)構(gòu)做詳細(xì)設(shè)計(jì)描述[1]。1996年美國(guó)Capaldi等將房頂安裝吊軌的移位機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了將患者在室內(nèi)進(jìn)行任意位移的改變的功能，是現(xiàn)代固定移位機(jī)的雛形[2]。1998年美國(guó)Simon 設(shè)計(jì)了一種用于提升和轉(zhuǎn)移患者的便攜式升降裝置，有利于幫助醫(yī)生和護(hù)理人員對(duì)下肢癱瘓患者進(jìn)行護(hù)理和檢查，在移位機(jī)綜合性能設(shè)計(jì)上有了突破性進(jìn)展[3]。2001年美國(guó)Hakamiun設(shè)計(jì)了一種支撐腿可線性伸縮和角度開合的患者提升裝置，具有防止提升患者的過(guò)程中提升裝置發(fā)生偏移的作用，此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)增加了移位裝置的安全性[4]。2014年美國(guó)Martin等人設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定、安全的提升裝置，并且能夠增加使用人員舒適度的設(shè)計(jì)，易于操縱和操作[5]。國(guó)內(nèi)2002年高進(jìn)欽等設(shè)計(jì)了防止使用者身體向后傾倒的電動(dòng)移位機(jī)，以電動(dòng)代替手搖，將設(shè)計(jì)理念從手動(dòng)轉(zhuǎn)移到了電動(dòng)，大大降低了看護(hù)者的勞動(dòng)強(qiáng)度[6]。2012賈祝軍等設(shè)計(jì)了一種利用托起懸掛的吊掛裝置將重癥患者托起，且底盤四角帶有萬(wàn)向活動(dòng)的萬(wàn)向輪，一人就可將患者輕松地轉(zhuǎn)移到重癥患者移位機(jī)上，在功能多樣化和患者使用針對(duì)化方向上又邁進(jìn)了一步[7]。2012年王英會(huì)、劉珊設(shè)計(jì)的采用以電為驅(qū)動(dòng)的Z字型結(jié)構(gòu)的插板式座椅和護(hù)肩，避免了像吊兜式穿戴的麻煩，降低了操作時(shí)間[8-9]。朱迺易、陳宣豪等人對(duì)移位機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用做出了探索，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)移位機(jī)，并對(duì)移位機(jī)的運(yùn)動(dòng)做出了規(guī)劃[10-11]。此外，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在康復(fù)機(jī)械相關(guān)領(lǐng)域的研究還有：張宇利用Matlab對(duì)末端牽引式某康復(fù)設(shè)備進(jìn)行了軌跡運(yùn)動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制研究，使設(shè)備能按照人體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)[12]。Guess等利用ADAMS對(duì)人體膝蓋骨進(jìn)行了離散動(dòng)力學(xué)仿真，為臨床外科手術(shù)操作提供數(shù)據(jù)保證[13]。Xie在其康復(fù)器械論著里，對(duì)康復(fù)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性研究和人體四肢軌跡規(guī)劃做了探討，為人機(jī)工程學(xué)做出了貢獻(xiàn)[14]。Rice利用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)研究了固定式和移動(dòng)式搬運(yùn)器受力分析，得出兩種不同形式設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，為家庭康復(fù)護(hù)理提供幫助，利于康復(fù)設(shè)備個(gè)性化，家庭化和社會(huì)化的發(fā)展[15]。Bostelman對(duì)康復(fù)機(jī)械家庭化使用做了研究，旨在減輕康復(fù)護(hù)理醫(yī)院和社區(qū)負(fù)擔(dān)，并對(duì)某護(hù)理中心的使用狀況做了調(diào)查分析，指出了下一步發(fā)展方向[16]。Krishnan專門對(duì)老年人康復(fù)設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)做了研究，旨在降低使用復(fù)雜度，方便肢體功能缺陷人員使用[17]。另外，計(jì)算機(jī)在圖像識(shí)別等領(lǐng)域還有廣泛應(yīng)用，程勇把計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到人臉識(shí)別技術(shù)中，可為法醫(yī)人員提供幫助[18]。計(jì)算機(jī)工程在醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析和診斷方面同樣發(fā)揮著重要作用[19]。

綜上，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)在醫(yī)學(xué)工程設(shè)計(jì)分析中雖有一定應(yīng)用，但是應(yīng)用還相對(duì)薄弱，還沒有對(duì)患者康復(fù)移位機(jī)的建模設(shè)計(jì)以及乘坐分析的研究。本研究在現(xiàn)有專利定性分析基礎(chǔ)上，對(duì)移位機(jī)不同載荷下所需具體尺寸的綜合設(shè)計(jì)和針對(duì)設(shè)備自重進(jìn)行輕量化優(yōu)化分析。利用Creo/parametric建立了某康復(fù)移位機(jī)三維模型，然后利用Creo/simulate有限元模塊對(duì)移位機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得出工作中較大應(yīng)力分布區(qū)域，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供定量支持，并進(jìn)行相應(yīng)乘坐實(shí)驗(yàn)研究，與市場(chǎng)上某產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比研究，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

2 移位機(jī)建模

移位機(jī)主要由支架、立臂、擺臂、吊架、支腿、擺桿、液壓缸、腳輪、推手、吊袋等部件組成，其承重部分有支架、立臂、擺臂、吊架、支腿、液壓缸，見圖1。

圖1 移位機(jī)三維模型

1.Hanger2.Boom3.Rodofhydrauliccylinder4.Armrestbox5.Armrest6.Supportboom7.Caster8.Support9.Openingandclosingdevice

模型底部為支架，彈簧控制支腿開合角度，支腿通過(guò)四個(gè)萬(wàn)向輪在地面上起支撐作用。支腿上面是立臂，立臂是起到主要承載作用的部件之一，立臂上安裝有液壓缸連接鉸。本樣機(jī)模型立臂和支架采取方鋼結(jié)構(gòu)，立臂的高度決定了總的升降高度。根據(jù)普通人群的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，設(shè)計(jì)的立臂高度為1.5 m，立臂和擺臂通過(guò)圓柱鉸鏈連接在一起，擺臂主要控制人員移位。其也是主要承載構(gòu)件，立臂和擺臂通過(guò)液壓缸連接起來(lái)，通過(guò)推桿的伸出和回縮控制驅(qū)動(dòng)擺臂升降，立臂、擺臂、液壓缸和液壓缸推桿構(gòu)成了典型的四連桿機(jī)構(gòu)。擺臂末端有吊架，吊架上面懸掛著用于人員乘坐的吊帶，吊架可以360度旋轉(zhuǎn)，用于克服患者移位過(guò)程中由于晃動(dòng)帶來(lái)的不便。其它部件在結(jié)構(gòu)承載分析中起到的作用比較小，為了減少分析時(shí)間增加分析效率，本分析模型將其用質(zhì)量塊等效。

3 移位機(jī)有限元結(jié)構(gòu)分析

在Creo/parametric將建立好的三維模型導(dǎo)入到其有限元分析模塊Creo/simulate中進(jìn)行模型前處理。為使有限元分析更加順暢，需要在劃分網(wǎng)格時(shí)提高網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)細(xì)小特征進(jìn)行抑制，主要包括：去掉開合裝置、取消倒角、取消小孔，將臂架連接處等效為自由連接，將銷孔、銷軸等效為自動(dòng)銷軸連接，將液壓缸和主體支柱、吊臂連接處等效為自動(dòng)焊接，劃分單元為四面體單元，單元個(gè)數(shù)為63080；施加的載荷模擬最大為120 kg，將人的主要受力點(diǎn)作用在吊鉤兩側(cè)和扶手兩側(cè)，考慮到吊鉤仍然是力載荷接觸部位，在兩側(cè)吊鉤處施加的力分別為550 N, 在兩側(cè)扶手處施加的力分別為50 N；考慮到萬(wàn)向輪和地面實(shí)際上是線接觸，為了不影響分析效果，約束其六個(gè)自由度，施加載荷和約束的模型見圖2。

圖2 約束和載荷施加

然后進(jìn)行有限元計(jì)算，可得整體最大應(yīng)力約為166 MPa,位于液壓油缸推桿和擺臂連接處的上端，因此，本設(shè)備的主要受力校核危險(xiǎn)區(qū)域多位于此，是研究的重點(diǎn)。應(yīng)力最大主值分析見圖3。

圖3 移位機(jī)應(yīng)力云最大主值圖

通過(guò)局部放大圖4可知支撐臂與油缸連接處也是主要校核的部位，其最大應(yīng)力達(dá)到了153 Mpa，滿足Q235鋼屈服強(qiáng)度的需要。

圖4 油缸、立臂連接處局部應(yīng)力

圖5為整機(jī)在模擬載荷作用下最大的變形量，通過(guò)云圖可以得出在載荷120 kg的人模擬下，設(shè)備末端的最大變形量達(dá)到了20.3 mm, 位于材料的彈性變形范圍內(nèi)，符合材料強(qiáng)度要求。

圖5 位移變形云圖

4 構(gòu)件靈敏度分析

結(jié)構(gòu)分析之后，根據(jù)康復(fù)患者的使用要求，對(duì)移位機(jī)關(guān)鍵部位零件進(jìn)行靈敏度和優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最終整機(jī)尺寸，得出最優(yōu)化的移位機(jī)模型。

圖6主要研究吊臂內(nèi)徑和外徑的尺寸，吊臂外徑為35 mm, 因此，內(nèi)徑的尺寸決定了承載和總質(zhì)量的關(guān)系。設(shè)定了變量d339內(nèi)徑靈敏度從20 mm到40 mm進(jìn)行選擇，步長(zhǎng)設(shè)定為1，直到承載總質(zhì)量最小時(shí)停止，見圖6。

圖6 吊臂靈敏度設(shè)計(jì)

根據(jù)步長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果，在吊臂內(nèi)徑32 mm、主體支柱內(nèi)徑33 mm時(shí)，液壓缸推桿與吊臂連接處的最大主應(yīng)力達(dá)到了232 MPa, 已經(jīng)接近材料強(qiáng)度極限。吊臂內(nèi)徑在27 mm時(shí)，應(yīng)力在材料屈服極限內(nèi)，但是造成了吊臂質(zhì)量的增加，因此吊臂的內(nèi)徑選用30 mm最為合適。112 kg載荷在此尺寸的最大位移達(dá)到39 mm, 對(duì)主體支柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后上圖變量d356使其在滿足需用應(yīng)力下最大化降低質(zhì)量，最終使整機(jī)滿足使用要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)身最輕化。

5 乘坐試驗(yàn)研究

根據(jù)上文設(shè)計(jì)計(jì)算研制出相應(yīng)的樣機(jī)，在我校生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院從2014、2015、2016級(jí)在校生中選取了60名同學(xué)進(jìn)行乘坐試驗(yàn)。典型身高體重人員參數(shù)見表1，樣機(jī)參數(shù)見表2，人員基本情況見表3，圖7為典型身高體重人員乘坐試驗(yàn)圖。

參與測(cè)試人員從大一到大三共60名同學(xué)，每名同學(xué)均進(jìn)行模擬椅子起升和放下動(dòng)作。其中男生共33人，女生27人，他們的身高范圍149～195 cm，體重范圍40～112 Kg,年齡位于18～24歲間，此樣本符合我國(guó)成年人群的體重和身高正態(tài)分布。

表1 不同樣機(jī)乘坐試驗(yàn)人員身高、體重參數(shù)

表2 樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)

圖7不同質(zhì)量、身高人員樣機(jī)乘坐試驗(yàn)

Fig7Differenthumanheight,weightinprototyperidetest

表3 乘坐試驗(yàn)人員基本參數(shù)

圖8為得到體重的不同實(shí)驗(yàn)人員乘坐和吊臂末端位移關(guān)系，體重在50～80 kg的比例為82%，其位移位于17.6～33.0 mm間。最大人員位移44.6 mm, 其中112 kg乘坐人員位移約41 mm, 與計(jì)算機(jī)優(yōu)化后仿真數(shù)據(jù)39 mm吻合較好，低于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最大位移90 mm。隨著體重的增加，吊臂末端位移也逐步增加，在體重允許范圍中，產(chǎn)品處于安全使用狀態(tài)，為產(chǎn)品臨床試驗(yàn)應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)。

圖8 試驗(yàn)人員體重和吊臂末端位移圖

Fig8Testpersonnelweightandboomtipdisplacement

為和市場(chǎng)上現(xiàn)有移位機(jī)對(duì)比研究，我們查詢了常州某兩家著名康復(fù)設(shè)備公司型號(hào)DP-YBQ、W-YBQ-02搬運(yùn)器，并聯(lián)系其售后對(duì)其試驗(yàn)數(shù)據(jù)做了調(diào)查。其中DP-YBQ型質(zhì)量為45 kg, 乘坐人員質(zhì)量最大為135 kg，安全范圍內(nèi)不同質(zhì)量人員乘坐末端位移在15～48 mm之間。對(duì)比可知，本設(shè)計(jì)針對(duì)人員質(zhì)量正態(tài)分布范疇，降低了總機(jī)的質(zhì)量，使用更加方便，同時(shí)滿足了設(shè)備安全使用的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)在患者康復(fù)移位機(jī)三維建模和靈敏度優(yōu)化分析中的應(yīng)用，研制出了較方便的移位機(jī)模型和乘坐需用的產(chǎn)品樣機(jī)，滿足不同患者的需要，可減少患者康復(fù)時(shí)間，利于此類康復(fù)設(shè)備向家庭市場(chǎng)推廣。得出主要結(jié)論如下：

(1)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在康復(fù)設(shè)備的研發(fā)中能發(fā)揮越來(lái)越重要作用，并與臨床康復(fù)應(yīng)用相輔相成，為臨床的研究提供數(shù)據(jù)保障。

(2)計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域在醫(yī)學(xué)中的拓展使得康復(fù)設(shè)備研究更加家庭化、智能化、便攜化、市場(chǎng)化進(jìn)程，利于我國(guó)國(guó)民大健康事業(yè)的發(fā)展。

(3)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與為醫(yī)學(xué)相關(guān)但不便進(jìn)行人體或動(dòng)物體領(lǐng)域的仿真研究提供了便利，使一些高難度的醫(yī)學(xué)工程中的問題能夠以仿真形式結(jié)果出現(xiàn)，為臨床提供幫助。