主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)的設(shè)計與分析

劉鵬輝，張光南

（寶雞文理學(xué)院計算機(jī)科學(xué)系，陜西寶雞 721000）

隨著我國老齡化地加劇和各種因素的影響，偏癱患者呈現(xiàn)逐年上升趨勢，因而開發(fā)偏癱康復(fù)設(shè)備具有重要的意義。傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練是由治療師握住患者受損肢體，輔助患者做各種動作，維持患者肢體的活動范圍，并促進(jìn)運(yùn)動功能的早日康復(fù)。傳統(tǒng)訓(xùn)練方式存在很多的問題，如訓(xùn)練效率和訓(xùn)練強(qiáng)度難以保證，訓(xùn)練效果受到治療師水平的影響。近年來國內(nèi)外也相繼開發(fā)出一些偏癱康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，如美國密歇根大學(xué)研究的下肢康復(fù)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了肢體的阻抗控制訓(xùn)練［1］。國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，可以通過模擬正常人行走的運(yùn)動軌跡來對患者進(jìn)行訓(xùn)練［2］。然而由于缺乏對偏癱患者訓(xùn)練模式的深入系統(tǒng)研究，患者往往由于力量不足得不到有效鍛煉，或因用力過大損傷肌肉，造成對身體的不良后果。基于此，本文設(shè)計了一種主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)，患者可以有效地進(jìn)行主動或被動式訓(xùn)練。文章利用ANSYS WORKBENCH有限元協(xié)同平臺對主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了力學(xué)計算，符合安全要求，設(shè)計的主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)對于發(fā)展康復(fù)事業(yè)具有重要的意義。

1 主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1 主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)

根據(jù)偏癱患者自身特點(diǎn)和訓(xùn)練模式需要，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)設(shè)計了如圖1所示的主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)，主要由絲桿螺母傳動機(jī)構(gòu)、手部訓(xùn)練機(jī)構(gòu)、腳部訓(xùn)練機(jī)構(gòu)、座椅旋轉(zhuǎn)裝置、座椅升降裝置、底架組件、支架組件、重物等組成。絲桿螺母傳動機(jī)構(gòu)由電動機(jī)驅(qū)動皮帶，從而帶動絲桿旋轉(zhuǎn)使安裝在螺母兩邊的滾輪沿導(dǎo)軌平移。手部訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要是雙手拉動拉環(huán)使繩子沿著裝在支架組件上的滑輪機(jī)構(gòu)拉動重物上升或下降。座椅升降裝置主要采用電動推桿推動升降立柱進(jìn)行座椅上升或下降，座椅旋轉(zhuǎn)裝置主要靠座椅面與后背之間的旋轉(zhuǎn)桿實(shí)現(xiàn)座椅的角度調(diào)節(jié)。腳部訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要是雙腳在腳踏上用力使腳部沿其轉(zhuǎn)軸進(jìn)行一定角度旋轉(zhuǎn)，從而腳踏兩端的繩子通過滑輪組件帶動重物上升或下降。

主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)的基本工作原理為當(dāng)偏癱患者手部力量大于重物質(zhì)量時，患者通過拉動拉環(huán)帶動繩子沿著滑輪組件提升重物上升或下降，完成主動康復(fù)訓(xùn)練。當(dāng)偏癱患者手部力量小于重物質(zhì)量時，手部力量拉不動重物，此時電動機(jī)驅(qū)動皮帶從而帶動絲桿旋轉(zhuǎn)使安裝在螺母兩端滾輪帶動繩子上的擋塊提升重物，此時患者只需拉著拉環(huán)用很小的力量就完成了訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了被動康復(fù)訓(xùn)練。腳部康復(fù)訓(xùn)練工作原理與手部訓(xùn)練類似。設(shè)計的主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)，適應(yīng)了偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練的需求，體現(xiàn)了人性化的特點(diǎn)，有利于保證偏癱患者的安全性和不易造成肌肉損傷等。

2 主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)的力學(xué)分析

2.1 ANSYS WORKBENCH有限元協(xié)同平臺

ANSYS WORKBENCH有限元協(xié)同平臺是通過對產(chǎn)品研發(fā)流程中仿真環(huán)境的開發(fā)與實(shí)施，搭建一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)、集成多學(xué)科異構(gòu)CAE技術(shù)的仿真系統(tǒng)。以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM為核心，組建一個基于網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品研制虛擬仿真團(tuán)隊(duì)，基于產(chǎn)品數(shù)字虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制的并行仿真和異地仿真。所有與仿真工作相關(guān)的人、技術(shù)、數(shù)據(jù)在這個統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作，各類數(shù)據(jù)之間的交流、通訊和共享皆可在這個環(huán)境中完成。

2.2 主被動訓(xùn)練機(jī)有限元模型

考慮到設(shè)計的主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)能夠在強(qiáng)度和剛度上滿足偏癱患者使用要求，本文通過在PRO/E下建立三維整體模型后轉(zhuǎn)換為 igs格式導(dǎo)入到ANSYS WORKBENCH協(xié)同平臺中，主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)支撐組件均采用45鋼材料，密度 7.8 ×10－9t/mm3，彈性模量 2.05 ×105MPa，泊松比0.28。考慮到實(shí)際使用要求，材料模型選取線彈性模型，劃分后的主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)有限元模型如圖2所示。

圖2 主被動訓(xùn)練機(jī)有限元模型

2.3 主被動訓(xùn)練機(jī)接觸及邊界處理

根據(jù)實(shí)際工況限制了底架組件與地面接觸支撐件的x，y，z方向平移自由度。載荷施加為座椅面上按照980 N力施加，手拉伸按照5 kg力施加。由于主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)的構(gòu)件比較多，零部件之間采用焊接或螺栓連接，在ANSYS WORKBENCH有限元協(xié)同平臺下其接觸設(shè)定為Bonded接觸，所產(chǎn)生的接觸對如圖3所示。

圖3 主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)接觸對

3 主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)的力學(xué)計算結(jié)果

3.1 主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)MISE分布

圖4為偏癱患者以最大載荷使用主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)時的MISE分布，從圖4可以看出偏癱患者手部訓(xùn)練時設(shè)計的主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)MISE分布不均勻，最大MISE出現(xiàn)在支架組件與底架組件連接的地方，最大MISE值為102.1 MPa，最大MISE值沒有超過45鋼材料的屈服極限，因而設(shè)計的主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)結(jié)構(gòu)是安全的，符合偏癱患者使用要求。

圖4 主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)MISE分布

3.2 主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)應(yīng)變分布

圖5是主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)受載后的應(yīng)變分布圖，從圖5中可以看出應(yīng)變最大值為0.000 502 27，最大應(yīng)變值仍出現(xiàn)在支架組件與底架組件連接的部位，應(yīng)變分布整體看基本均勻，其值也說明了主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)在使用過程中剛度是足夠的，符合安全要求。

圖5 主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)應(yīng)變分布

4 結(jié)語

1）本文設(shè)計的主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)對于偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練具有一定的實(shí)用價值;

2）ANSYS WORKBERNCH仿真平臺為主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)性能提供了有利的工具，分析過程貼近實(shí)際;

3）本文分析結(jié)果所得到的主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)應(yīng)力場及應(yīng)變場可為設(shè)計提供可靠地理論依據(jù)。

［1］Simon AM，Brent Gillespie R，F(xiàn)erris DP.Symmetry-based resistance as a novel means of lower limb rehabilitation［J］.J.Biomech，2007，40（6）:1286-1292.

［2］張曉超，張立勛，顏慶.一種新型三自由度下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人步態(tài)機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及仿真［J］.自動化技術(shù)及應(yīng)用，2005，24（3）:32-35.