基于有限元技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備設(shè)計(jì)與分析

何亞峰，張光南，劉春節(jié)，張文全，徐旭

(1. 常州工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002； 2. 寶雞文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，陜西 寶雞 721000)

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基于有限元技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備設(shè)計(jì)與分析

何亞峰1，張光南2，劉春節(jié)1，張文全1，徐旭1

(1. 常州工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002； 2. 寶雞文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，陜西 寶雞 721000)

摘要：隨著我國老齡化的加劇,偏癱患者呈現(xiàn)上升趨勢,因而開發(fā)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備對于患者的康復(fù)和提高生活質(zhì)量有著重要的意義。根據(jù)患者訓(xùn)練特點(diǎn)開發(fā)了結(jié)構(gòu)合理安全的新型康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備,患者可進(jìn)行柔性、遞進(jìn)式訓(xùn)練。利用Abaqus有限元數(shù)值平臺對開發(fā)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算和校核，其結(jié)果可為設(shè)計(jì)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備；設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

0引言

隨著我國老齡化時(shí)代的到來，在老齡人群中有大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)伴有偏癱癥狀。近年來由于心腦血管疾病使中老年患者出現(xiàn)偏癱的人數(shù)不斷增加，而且在年齡上呈現(xiàn)年輕化趨勢。同時(shí)由于交通運(yùn)輸工具的迅速增長，因交通事故而造成神經(jīng)損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多，醫(yī)學(xué)理論和臨床醫(yī)學(xué)證明，偏癱患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥物治療外，正確的科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對于偏癱患者的恢復(fù)和提高起到了非常重要的作用，使患者可以重新豎起對美好生活的向往。在傳統(tǒng)康復(fù)運(yùn)動訓(xùn)練治療過程中，患者通常需要借助簡單器具或者由治療師輔助，完成旨在維持關(guān)節(jié)活動度、增強(qiáng)肌力、肌肉耐力、肌肉協(xié)調(diào)能力、平衡功能、步行功能、心肺功能的單項(xiàng)或者綜合項(xiàng)目運(yùn)動訓(xùn)練。傳統(tǒng)康復(fù)治療方法功能有限，而且治療師的勞動強(qiáng)度很大，難以保證訓(xùn)練的持續(xù)性和穩(wěn)定性，治療效果還受到治療師水平的影響。這些不利因素對肢體運(yùn)動訓(xùn)練的影響尤為明顯。因而開發(fā)人性化、效果化的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備對于發(fā)展我國的康復(fù)事業(yè)具有舉足輕重的作用。近年來國內(nèi)外也相繼開發(fā)出一些康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，如大連理工大學(xué)的鄭志超對步行康復(fù)訓(xùn)練器及其控制策略進(jìn)行了研究，開發(fā)了步行康復(fù)訓(xùn)練器及評價(jià)方法[1]，程方等人進(jìn)行了減重步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究[2]，劉鵬輝等人進(jìn)行了主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)的設(shè)計(jì)與分析[3]。然而由于偏癱患者恢復(fù)鍛煉使用要求特殊、鍛煉模式多樣化等特點(diǎn)，患者往往自身力量不足進(jìn)行鍛煉不能更好地刺激肌肉細(xì)胞的有效恢復(fù)?；蛞蛴昧ν蝗蛔兓斐蓪ι眢w的不良后果?；诖吮疚脑O(shè)計(jì)了一臺康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，患者可以進(jìn)行柔性、力量遞進(jìn)式的主動或被動康復(fù)訓(xùn)練，可對患者的恢復(fù)具有良好的效果。為了使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加安全，利用ABAQUS有限元數(shù)值平臺對開發(fā)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算，符合安全要求,體現(xiàn)人性化特點(diǎn)。設(shè)計(jì)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備對于發(fā)展康復(fù)事業(yè)具有重要的意義，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備設(shè)計(jì)

根據(jù)偏癱患者訓(xùn)練模式特點(diǎn)和使用要求,設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備體現(xiàn)了人性化特色和安全性,如圖1所示,其結(jié)構(gòu)主要由座椅升降裝置、手部訓(xùn)練組件、電動機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、彈簧阻尼組件、訓(xùn)練支架組件等構(gòu)成。其中座椅升降裝置由座椅、電動推桿、導(dǎo)柱組成。手部訓(xùn)練組件由繩子、拉環(huán)、滑輪組組成。電動機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)由制動電機(jī)、絲杠、螺母、導(dǎo)軌、滑塊、連接桿組成。彈簧阻尼組件由彈簧、連接板、導(dǎo)向柱、導(dǎo)向滑塊組成。訓(xùn)練支架組件由直橢圓管、弧形橢圓管組成。

圖1　康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備

由于偏癱患者年齡、性別和手部肌肉損傷程度不同，在訓(xùn)練中手部力量也不盡相同，國內(nèi)外很多康復(fù)設(shè)備往往采用拉伸重物或加砝碼的方式進(jìn)行恢復(fù)鍛煉。這些方式由于拉伸力固定或分段增加，患者不能得到充分的力學(xué)訓(xùn)練。為了使偏癱患者手部肌肉得到持續(xù)的刺激訓(xùn)練，達(dá)到良好的訓(xùn)練效果，要求其拉伸的阻尼力緩慢增加到最大值，以適應(yīng)患者訓(xùn)練的需求。醫(yī)學(xué)觀察效果認(rèn)為柔性、遞進(jìn)式訓(xùn)練對于治療偏癱患者肌肉恢復(fù)起到了良好的作用。當(dāng)患者無法自己運(yùn)動時(shí)，電動機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作從而帶動患者進(jìn)行手部活動，從而緩解缺乏運(yùn)動引起的不良后果，如關(guān)節(jié)僵硬、肌肉萎縮以及攣縮、骨質(zhì)疏松等。

本設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備基本工作原理為偏癱患者手部拉動拉環(huán)用力時(shí)通過繩子和滑輪組帶動彈簧沿導(dǎo)向柱緩慢上升，彈簧阻尼力逐步增大。此時(shí)電動機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動連接桿運(yùn)動同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)偏癱患者手部拉動繩子的速度大于電動機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動連接桿的速度時(shí)，偏癱患者手部用自身力量完成主動康復(fù)訓(xùn)練。當(dāng)偏癱患者手部拉動繩子的速度小于電動機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動連接桿的速度時(shí)，電動機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的連接桿帶動繩子上的固定套克服彈簧力運(yùn)動，此時(shí)偏癱患者只需要用很小或拉著拉環(huán)完成被動訓(xùn)練。如果訓(xùn)練中突然出現(xiàn)電動機(jī)斷電的意外情況，此時(shí)電動機(jī)的制動將起作用，保證偏癱患者訓(xùn)練的安全性。設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備將能夠?qū)ζc患者的身體恢復(fù)起到重要的作用。

2康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的力學(xué)計(jì)算

2.1　ABAQUS數(shù)值模擬平臺

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。 ABAQUS 包括一個(gè)豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料，作為通用的模擬工具， ABAQUS能解決大量結(jié)構(gòu)(應(yīng)力 / 位移)問題。

2.2　康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備有限元模型

康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備由于其使用對象的特殊性和安全性，對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度計(jì)算是非常重要的。本文通過在Pro/e下建立康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的三維整體模型后轉(zhuǎn)換為*.x_t格式導(dǎo)入到ABAQUS數(shù)值模擬平臺中?？祻?fù)訓(xùn)練設(shè)備的支撐組件均采用45鋼材料，密度7.8×10-9t/mm3，彈性模量2.05×105MPa，泊松比0.3。拉繩材料采用尼龍，密度3.8×10-9t/mm3，彈性模量1.15×105MPa，泊松比0.28?？紤]到康復(fù)設(shè)備實(shí)際使用要求材料模型選取線彈性模型，劃分后的主康復(fù)設(shè)備有限元模型如圖2所示。

圖2　康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的有限元模型

2.3　康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備接觸及邊界處理

根據(jù)實(shí)際工況限制了訓(xùn)練支架組件與地面接觸的x、y、z方向平移自由度。載荷施加為座椅面上按照100kg力施加，手拉伸力按照最大5kg力施加。各組件之間接觸按照Tie類型處理。

圖3　康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備載荷處理

3康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的力學(xué)分析結(jié)果

3.1　康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備MISE分布

圖4為偏癱患者以最大載荷使用康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備時(shí)的MISE分布。從圖4可以看出偏癱患者手部訓(xùn)練時(shí)設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)MISE分布不均勻，最大MISE出現(xiàn)在訓(xùn)練支架組件弧形橢圓管與垂直橢圓管連接的地方，最大MISE值為43.16 MPa，最大MISE值沒有超過45鋼材料的屈服極限，因而設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備結(jié)構(gòu)是安全的，符合偏癱患者使用要求。

圖4　康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的MISE分布

3.2　康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備變形分布

圖5為偏癱患者以最大載荷使用康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備時(shí)的變形分布，從圖中可以看出最大變形值為1.304mm,最大變形值出現(xiàn)在手部拉環(huán)位置，變形分布不均勻，康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的訓(xùn)練支架組件上的變形最大值為0.5435mm，其值也說明了康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備在使用過程中剛度是足夠的，符合安全要求。

4結(jié)論

1) ABAQUS數(shù)值模擬平臺為康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備力學(xué)計(jì)算提供了有利的工具，分析過程貼近實(shí)際；

圖5　康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的變形分布

2) 本文分析結(jié)果可為康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)；

3) 本設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備具有柔性、遞進(jìn)式訓(xùn)練特點(diǎn)，符合偏癱患者訓(xùn)練要求，對偏癱患者身體恢復(fù)起到重要的作用，具有一定的工程價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1] 鄭志超. 步行康復(fù)訓(xùn)練器及其控制策略研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2012.

[2] 程方，王人成，賈曉紅,等. 減重步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究進(jìn)展[J]. 中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2008(04).

[3] 劉鵬輝，張廣南. 主被動康復(fù)訓(xùn)練機(jī)的設(shè)計(jì)與分析[J]. 機(jī)械制造與自動化，2013，42(4)：56-58.

Design and Analysis of Rehabilitation Training Equipment Based on Finite Element Technology

HE Ya-feng1, ZHANG Guang-nan2,GAN Wei-min1, LIU Chun-jie1, ZHANG Wen-quan1, XU Xu1

(1. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002,China;

2. Department of Computer Science, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721000, china)

Abstract:As the old age people in our country grow in intensity, hemiplegic patients present a rising trend, to develop rehabilitation training equipment for the rehabilitation of patients and improve the quality of their life is of momentous significance. According to patient training feature， this paper develops the new reasonable and safe rehabilitation training equipment which is used to do flexible and progressive training for patients. At the same time, its strength and stiffness is calculated and verified by using ABAQUS finite element simulation platform, thus a theoretical reference is given to rehabilitation training designers.

Keywords:rehabilitation training equipment；ABAQUS; structure strength

收稿日期：2014-11-11

中圖分類號：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0098-03

作者簡介：何亞峰(1975-)，男，陜西寶雞人，講師，博士研究生，研究方向：有限元及現(xiàn)代加工技術(shù)。

基金項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201411055001)；常州工學(xué)院自然科學(xué)基金(YN1113)。