空間運動軌跡爬行訓(xùn)練裝置的設(shè)計

高大地，鄒任玲

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

腦卒中是一種腦組織損傷的疾病[1-2]，流行病學(xué)調(diào)查顯示，大約30%～36%患者在患腦卒中6個月后遺留上肢功能障礙[3-4]。研究表明[5-6]，爬行是一項可以訓(xùn)練全身肌肉的運動，能夠增強頸部和軀干部位的穩(wěn)定性、活動性，加快新陳代謝。爬行是直立行走的準(zhǔn)備，可以促進感覺器官的發(fā)展，建立平衡能力、控制能力及協(xié)調(diào)能力，并且對腦干整合功能重建和大腦皮質(zhì)功能重組這兩個階段都有至關(guān)重要的作用。臨床研究表明[7-9]，爬行運動有助于腦卒中患者康復(fù)，利用爬行設(shè)備進行被動與主動訓(xùn)練，適合腦卒中康復(fù)進程中的各個階段。

爬行設(shè)備起步于國外。上個世紀(jì)，Tidwell等[10]發(fā)明身體協(xié)調(diào)性訓(xùn)練裝置，實現(xiàn)兒童或脊柱損傷患者肢體運動的協(xié)調(diào)性訓(xùn)練。Iams等[11]發(fā)明爬行運動裝置，實現(xiàn)上肢的爬行模擬和下肢的爬行模擬。Canela等[12]為肌肉運動障礙的兒童設(shè)計了殘疾兒童運動訓(xùn)練裝置。Liang[13]設(shè)計的爬行訓(xùn)練裝置可以輔助進行腰腹力量訓(xùn)練。近年來，爬行設(shè)備也有新的進展。Peralo[14]完成的多選擇性可互鎖滑動平臺和Milo[15]設(shè)計的平行軌道裝置，通過軌道滑動運動實現(xiàn)上下肢爬行運動。Parnell[16]的上體運動裝置和Pearce[17]的輪式運動裝置可以被應(yīng)用于上肢各個肌肉組的鍛煉。Rao等[18]和Smith等[19]改進的爬行訓(xùn)練裝置可以實現(xiàn)上下肢交替式直線負(fù)重爬行。爬行設(shè)備在國內(nèi)也有發(fā)展，馮建軍[20]在2011年設(shè)計一款攀爬爬行訓(xùn)練機模擬向上攀爬訓(xùn)練。周利莎等[21]設(shè)計的俯臥式爬行健身器以及上海理工大學(xué)設(shè)計的一款多態(tài)脊柱康復(fù)訓(xùn)練爬行訓(xùn)練儀[22]均實現(xiàn)了上下肢交替直線爬行運動。

上述目前研究和應(yīng)用的爬行訓(xùn)練裝置，實現(xiàn)了上肢或下肢在水平面上的直線運動，但與正常的爬行軌跡不相符，訓(xùn)練的程度不夠，對患者的康復(fù)作用不明顯。針對上述缺陷，本研究設(shè)計一款基于空間運動軌跡的腦卒中偏癱康復(fù)爬行訓(xùn)練裝置，該裝置的上肢把手和腿部支撐可以幫助患者完成正常人爬行時的空間運動軌跡，更有利于患者的康復(fù)訓(xùn)練。

1 裝置結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計

空間運動軌跡爬行訓(xùn)練裝置主要分為爬行訓(xùn)練裝置主體、控制主機和控制軟件三個部分。訓(xùn)練裝置主要包括空間運動軌跡爬行機構(gòu)、輔助爬行運動機構(gòu)、運動角度調(diào)節(jié)機構(gòu)等結(jié)構(gòu)(見圖1)。其中空間運動軌跡爬行機構(gòu)可以輔助使用者完成整個空間軌跡的爬行運動，輔助爬行運動機構(gòu)可以支撐肢體主干部分以改變四肢承受的壓力，運動角度調(diào)節(jié)機構(gòu)可以在0°～70°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)空間運動軌跡爬行機構(gòu)與水平面的角度，從而實現(xiàn)各種角度的爬行。

圖1 訓(xùn)練裝置整體結(jié)構(gòu)

1.1 空間運動軌跡爬行機構(gòu)

1.1.1 整體機構(gòu)

空間運動軌跡爬行機構(gòu)(圖2)分為上肢空間運動軌跡爬行裝置和下肢空間運動軌跡運動爬行裝置。

圖2 空間運動軌跡爬行機構(gòu)

上肢空間運動軌跡爬行裝置中，上肢支撐連桿中滾動軸承可以在長度320 mm的軌道中做往復(fù)的直線運動。轉(zhuǎn)動輪盤可以繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動。長度800 mm的上肢支撐連桿兩端分別連接滾動軸承和轉(zhuǎn)動輪盤，上肢支撐連桿上安裝有上肢把手可以帶動使用者手部做橢圓運動。

下肢空間運動軌跡爬行裝置中，各連桿滑塊組件中滑塊可以在直線導(dǎo)軌中做往復(fù)直線運動。轉(zhuǎn)動輪盤帶動連桿滑塊組件1從而帶動連桿滑塊組件2做往復(fù)直線運動，同時帶動連桿滑塊組件3中的滑塊沿腿部支撐中導(dǎo)軌做直線運動。因此，腿部支撐可在完成往復(fù)直線運動的同時完成做30°～0°之間的往復(fù)擺動。

1.1.2 各構(gòu)件相對運動關(guān)系

空間運動軌跡爬行機構(gòu)中左半邊和右半邊是一個對稱機構(gòu)，故兩側(cè)的運動軌跡是一樣的。圖3為空間運動軌跡爬行機構(gòu)右半邊機構(gòu)運動簡圖。

圖3 空間運動軌跡爬行機構(gòu)機構(gòu)運動簡圖

伺服電機帶動主動輪1旋轉(zhuǎn)，同步傳動帶將其產(chǎn)生的動力傳遞到從動輪2上。上肢空間軌跡爬行裝置中，與從動輪一起轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動輪盤3帶動連桿4運動，故在連桿4上面的上肢把手可以沿橢圓軌跡旋轉(zhuǎn)(如圖4)。下肢空間軌跡爬行裝置中，與從動輪一起轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動輪盤3，通過連桿6帶動滑塊7移動，連桿10可繞機架擺動，滑塊7帶動滑塊9和滑塊13移動。在滑塊7和滑塊9的共同作用下，在連桿12上的腿部支撐可實現(xiàn)從1位置到2位置往復(fù)移動(如圖5)。

圖4 上肢把手運動軌跡

圖5 腿部支撐運動

被動訓(xùn)練時，電磁離合器接合，電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動同步傳動帶運動，使轉(zhuǎn)動輪盤轉(zhuǎn)動，帶動上肢把手沿橢圓形軌跡運動和腿部支撐做往復(fù)轉(zhuǎn)動(30°～0°)和前后移動。主動訓(xùn)練時，電磁離合器分離，患者驅(qū)動上肢把手沿橢圓軌跡轉(zhuǎn)動和腿部支撐往復(fù)轉(zhuǎn)動和前后移動，以帶動轉(zhuǎn)動輪盤轉(zhuǎn)動。補償訓(xùn)練時，角度傳感器可以測得轉(zhuǎn)動輪盤的角度變化，在使用者無法完成主動訓(xùn)練時，由角度傳感器提供的角度變化，可以通過電腦計算出電機要提供的力矩，從而帶動使用者完成康復(fù)訓(xùn)練。為了防止上肢把手和腿部支撐左右移動，上肢把手和腿部支撐分別卡在連桿和支撐機構(gòu)里。為了適用于不同身高的使用者，上肢把手可以調(diào)節(jié)在上肢支撐連接桿上的位置，腿部支撐可以調(diào)節(jié)與腿部支撐板的相對位置，根據(jù)文獻[23]，設(shè)計的機構(gòu)適用于身高155～185 cm(上肢長度450～700 mm、小腿長度400～600 mm)的使用者。三種訓(xùn)練模式下，為了模仿爬行動作，在轉(zhuǎn)動輪盤的帶動下，同側(cè)上下肢運動方向相反。

1.2 輔助爬行運動機構(gòu)

結(jié)構(gòu)中引入了輔助爬行運動機構(gòu)，實現(xiàn)在不同程度減重下進行多種模式訓(xùn)練，適合腦卒中較為嚴(yán)重的患者進行初期康復(fù)訓(xùn)練。輔助爬行運動機構(gòu)中可以上下調(diào)節(jié)腹部托板位置，左右調(diào)節(jié)其傾斜度以適用不同患者和不同訓(xùn)練模式。輔助爬行運動機構(gòu)由三個部分組成：高度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)(1、2)，輔助調(diào)節(jié)機構(gòu)(3)和腹部托板(4、5、6、7)(見圖6)。輔助爬行運動機構(gòu)由兩個直線電機調(diào)節(jié)腹部托板的高度，直線電機推桿伸出，腹部托板升高；反之，腹部托板降低。在此過程中，輔助爬行運動機構(gòu)可以輔助高度調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)腹部托板高度，保證腹部托板平穩(wěn)上升或者下降。在進行單側(cè)訓(xùn)練時(向左側(cè)傾斜或向右側(cè)傾斜)，一邊的直線電機的推桿保持伸長度不變，另一邊直線電機的推桿伸長，推桿末端的滾輪在滾輪槽滾動，使腹部托板傾斜，從而滿足訓(xùn)練模式的要求。腹部托板安裝在腹部托板支撐上，并且與腹部托板支撐之間裝有壓力傳感器，這樣就可以測出減重程度，目的是根據(jù)患者的病愈狀況對訓(xùn)練模式進行合理的選擇。高度調(diào)節(jié)的范圍295～415 mm，傾斜角度調(diào)節(jié)范圍0°～20°。

圖6 輔助爬行運動機構(gòu)

2 空間運動軌跡爬行裝置運動學(xué)和動力學(xué)分析

采用軟件對機構(gòu)進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，獲得機構(gòu)的同步帶驅(qū)動輪角速度和輸出力矩，可以反映機構(gòu)的運動特性；通過計算得出電機轉(zhuǎn)速和電機扭矩，對電機進行選型。

2.1 空間運動軌跡爬行機構(gòu)仿真分析

被動爬行訓(xùn)練時，不同的運動角度，對于動力的要求不一樣，我們仿真時按最高要求設(shè)定相關(guān)參數(shù)。很容易看出當(dāng)人體與水平面成20°時，動力機構(gòu)需要輸出的力最大。根據(jù)國民體質(zhì)監(jiān)測公報以及人機工程學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)，我國成年男性平均體質(zhì)量為67.8 kg，成年女性平均體質(zhì)量為59.5 kg，考慮安全系數(shù)，患者體質(zhì)量取100 kg。通過SolidWorks軟件計算可知把手質(zhì)量為m1=2.5 kg，腿部支撐質(zhì)量為m2=13 kg，兩側(cè)動力機構(gòu)需要帶動的質(zhì)量按120 kg計算，每側(cè)各帶動60 kg。直線導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取f=0.05。正常人行走的速度為1 m/s，人在跪姿的時候腿長相對縮短了一半，所以爬行速度取0.5 m/s；由于運動時左右相對運動，所以正常單邊速度為0.25 m/s。由于是被動運動而且患者行動能力差，所以速度不宜過快以免造成運動損傷，綜合考慮，最高被動運動速度定為0.2 m/s。

將單側(cè)裝配好的空間運動軌跡爬行機構(gòu)導(dǎo)入SolidWorks Motion模塊進行運動仿真，首先在整個仿真環(huán)境中加入重力，將空間運動軌跡爬行機構(gòu)調(diào)節(jié)成與水平方向成20°。其次安裝一個旋轉(zhuǎn)馬達通過齒輪帶動同步輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動上下肢爬行機構(gòu)。在上下肢機構(gòu)所有與支撐板接觸的滾動軸承和支撐板之間添加實體接觸，摩擦系數(shù)取f=0.05，打開精確接觸。仿真結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 驅(qū)動齒輪仿真分析角速度

圖8 驅(qū)動齒輪仿真分析輸出力矩

由SolidWorks Motion模塊運動仿真得到傳動帶驅(qū)動輪最大轉(zhuǎn)速為n1=528°/s，輸出力矩最大為M1=5.6 N?m。

2.2 空間運動軌跡爬行機構(gòu)電機的選型

相對于無刷直流電機和伺服電機，步進電機受控于脈沖電流，輸出的角位移嚴(yán)格與輸入的脈沖數(shù)量成正比，角速度嚴(yán)格與頻率成正比。為了滿足醫(yī)療器械高精度和安全性的要求，本設(shè)計選用步進電機為整個裝置提供動力。

步進電機電機轉(zhuǎn)軸與一個分度圓直徑d1=72 mm的圓柱齒輪帶動分度圓直徑d2=120 mm的圓柱齒輪轉(zhuǎn)動，分度圓直徑120 mm的圓柱齒輪與傳動帶小齒輪同軸。傳動帶小齒輪最大轉(zhuǎn)速為n1=528°/s。計算電機轉(zhuǎn)速的公式如下：

同步帶小齒輪輸出力矩最大為M1=5.6 N?m。計算電機扭矩的計算公式如下：

代入數(shù)據(jù)計算得電機最大轉(zhuǎn)速為n=88 r/min，電機最大輸出扭矩為3.36 N?m?？紤]到同步帶安裝誤差，以及其他摩擦因素等，特選擇大扭矩電機，以保證爬行運動的流暢。因此選擇86閉環(huán)步進伺服電機，電機型號為LC86H2128，其各項參數(shù)為：額定輸出功率90 W，額定電壓24 V(直流電)，額定電流6 A，最大輸出轉(zhuǎn)矩10 N?m。

3 空間運動軌跡關(guān)鍵部件有限元分析

對空間運動軌跡爬行訓(xùn)練裝置系統(tǒng)的受力情況進行分析。裝置中的關(guān)鍵受力部分為輔助爬行運動機構(gòu)的推桿頂端和滾輪的連接軸和空間軌跡運動爬行機構(gòu)的轉(zhuǎn)動輪盤。輔助爬行運動機構(gòu)的連接軸，主要承受來自運動機構(gòu)和患者的壓力，運動時該部件受力較大。根據(jù)上文仿真與受力分析可知，患者最大質(zhì)量設(shè)為100 kg，患者與減重爬行機構(gòu)中的腹部托板支撐、壓力傳感器、腹部托板的總質(zhì)量合為132 kg，由此來設(shè)計仿真初始條件進行計算。根據(jù)上文計算分析可得，在四個轉(zhuǎn)動輪盤中，上肢空間運動軌跡爬行機構(gòu)中的轉(zhuǎn)動輪盤與上肢連桿的連接處受力較大為164.5 N。將以上部件從SolidWorks導(dǎo)入ANSYS Workbench進行應(yīng)力、變形分析，以確定其滿足強度要求。

3.1 輔助爬行運動機構(gòu)中推桿和滾輪的連接軸受力分析

由于輔助爬行運動機構(gòu)中連接滾輪和推桿的軸受力較大，對材料強度要求較高，所以選擇軸承鋼GCr15，其各種屬性如表1所示。將輔助爬行運動機構(gòu)軸零件從SolidWorks導(dǎo)入Ansys Workbench中，對軸采用六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分方式(Hex Dominant)，在外層形成六面體網(wǎng)格，而在心部填充四面體網(wǎng)格[24]。并且選擇精細(xì)的劃分單元。最終劃分得到網(wǎng)格節(jié)點為8931，網(wǎng)格單元數(shù)為2580。在裝配體中，軸與推桿是過度配合，所以采用固定約束(cylindrical support)，限制其徑向自由度。軸兩段承受的載荷最大為330 N，為了安全起見，我們假設(shè)患者的體質(zhì)量全部作用在腹部支撐上。所以推桿所受的載荷為軸承載荷(bearing load)，大小為F=330 N，方向為軸的徑向。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圖，不同顏色表示不同數(shù)值，紅色為最大數(shù)值，藍色為最小數(shù)值。軸的應(yīng)力圖如圖9所示，變形量色帶圖如圖10所示。

表1 軸承鋼GCr15的屬性

圖9 軸的應(yīng)力分析

圖10 軸的變形量分析

由圖9可知，應(yīng)力最大點為軸與滾輪連接處，最大應(yīng)力為57 MPa，遠小于軸承鋼的許用應(yīng)力259 Mpa(屈服強度518 MPa，安全系數(shù)取2)，所以滿足強度要求。由圖10可知，軸兩段變形量最大，最大變形量僅有0.0308 mm，此變形極其微小，不影響裝置的使用，完全滿足剛度要求。計算結(jié)果表明滿足使用要求。

3.2 轉(zhuǎn)動輪盤的受力分析

上下肢爬行結(jié)構(gòu)的是機構(gòu)的主要組成部分，且上肢爬行機構(gòu)中轉(zhuǎn)動輪盤與上肢連桿的連接處受力較大，對材料強度要求較高，所以選擇45#鋼，其各種屬性如表2所示。將上肢爬行機構(gòu)中轉(zhuǎn)動輪盤零件從SolidWorks導(dǎo)入Ansys Workbench中。由于轉(zhuǎn)動輪盤是規(guī)則的形體，所以對其采用掃描的網(wǎng)格劃分方式(sweep)，這種劃分方法簡單，六面體單元規(guī)則，計算精確方便[25]。同樣選擇精細(xì)的劃分單元。最終劃分得到網(wǎng)格節(jié)點為11140，網(wǎng)格單元數(shù)為5448。在裝配體中，轉(zhuǎn)動輪盤可在機架上轉(zhuǎn)動。在運動過程中，連接處位于最低點時機構(gòu)處于最危險的狀態(tài)。在轉(zhuǎn)動輪盤的中心處添加圓柱約束(cylindrical support)，在連接處添加一個徑向向外的壓力164.5 N。轉(zhuǎn)動輪盤的分析結(jié)果選取典型的等效應(yīng)力和變形量色帶表達圖，其應(yīng)力圖如圖11所示，變形量色帶圖如圖12所示。

表2 45#鋼屬性

圖11 轉(zhuǎn)動輪盤應(yīng)力分析

圖12 轉(zhuǎn)動輪盤變形量分析

由圖11可知，最大應(yīng)力發(fā)生在轉(zhuǎn)動輪盤與上肢連桿的連接處，最大應(yīng)力為0.579 MPa，小于45#鋼的許用應(yīng)力177.5 MPa(屈服強度335 MPa，安全系數(shù)取2)，所以滿足強度要求。由圖12可知，轉(zhuǎn)動輪盤下端變形量最大，但是最大變形量也僅有0.0000157 mm，不會影響裝置正常工作，完全滿足剛度要求。計算結(jié)果表明轉(zhuǎn)動輪盤完全滿足使用要求。但是可以在連接處進行倒圓角處理，避免應(yīng)力集中，效果會更好。

4 結(jié)果和討論

本設(shè)計是空間運動軌跡爬行訓(xùn)練裝置，可以在腦卒中患者康復(fù)過程中起到輔助爬行和鍛煉的作用。本裝置具有以下特點：①改變爬行訓(xùn)練裝置只能在水平面上往復(fù)爬行的缺陷，實現(xiàn)了可以在豎直平面內(nèi)模擬爬行軌跡的爬行；②利用輔助爬行運動機構(gòu)減輕使用者四肢負(fù)荷；③通過運動角度調(diào)節(jié)機構(gòu)完成不同模式的爬行運動，增加患者參與訓(xùn)練的積極性；④該設(shè)計還有運動數(shù)據(jù)反饋的功能，方便醫(yī)生進行評估。本設(shè)計還存在裝置質(zhì)量大的缺陷，但隨著材料科學(xué)的發(fā)展，可以選擇更輕便的材料，從而減輕裝置整體的質(zhì)量。

]

[1]唐宇平.正確認(rèn)識腔隙性腦梗塞[J].家庭醫(yī)學(xué),2015,9(3):28-29.

[2]中華醫(yī)學(xué)神經(jīng)病學(xué)分會神經(jīng)康復(fù)學(xué)組,中華醫(yī)學(xué)會神經(jīng)病學(xué)分會腦血管病學(xué)組,衛(wèi)生部腦卒中篩查與防治工程委員會辦公室.中國腦卒中康復(fù)治療指南(2011完全版)[J].中國康復(fù)理論與實踐,2012,18(4):301-318.

[3]Lecoffre C,De PC,Gabet A,et al.National trends in patients hospitalized for stroke and stroke mortality in France,2008 to 2014[J].Stroke,2017,48(11):2939-2945.

[4]何雯,王凱.腦卒中后上肢功能康復(fù)研究進展[J].中國康復(fù)理論與實踐,2014,20(4):334-339.

[5]張雪松,趙宏杰.中樞神經(jīng)損傷的感覺統(tǒng)合爬行方案在中風(fēng)康復(fù)中的應(yīng)用[J].長春中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報,2007,23(6):59.

[6]Chen X,Niu X,Wu D,et al.Investigation of the intra-and inter-limb muscle coordination of hands-and-knees crawling in human adults by means of muscle synergy analysis[J].Entropy,2017,19(5):229-244.

[7]梁文銳,龍耀斌,張啟富.運動想象結(jié)合爬行訓(xùn)練對腦卒中患者偏癱上肢功能的影響[J].廣西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報,2012,29(1):74-75.

[8]易龍,張利芳.爬行訓(xùn)練對腦卒中患者偏癱下肢功能的影響[J].中國實用醫(yī)藥,2013,8(22):261-262.

[9]Takeuchi N,Izumi S.Rehabilitation with poststroke motor recovery:a review with a focus on neural plasticity[J].Stroke Res Treat,2013,2013:128641.

[10] Tidwell JH. Physical coordination Training device:US3976058[P].1976-08-24.

[11]Iams JF,Splane RL,Drusch III JA,et al.Device permitting a user to simulate crawling motions to improve movement of the truncal muscles and spine:US4799475[P].1989-01-24.

[12]Canela H.Exercise device forhandicapped children:US5407406[P].1995-04-18.

[13]Liang FK.Crawling exerciser:US5447483[P].1995.

[14]Peralo CA.Therapeutic exercise apparatus with multiple selectively interlockable sliding platforms:US9011296 B2[P].2015.

[15]Milo S.Exercise device with track and sleds:US0108405[P].2012.

[16]Parnell T.Special Upper body exercise device:US0217551 A1[P].2013.

[17]Pearce M.Wheeled exercise apparat:US9192802 B2[P].2015.

[18]Rao M.Crawling exercise:US0244998A1[P].2012.

[19]Smith AD.Crawling exercise device:US9186551 B1[P].2015.

[20]馮建軍.攀登爬行訓(xùn)練機：CN10213346 5A[P].2011.

[21]周利莎,饒明滬.俯臥式爬行健身器：CN101181662[P].2008.

[22]肖陽,徐秀林.基于爬行運動的脊柱康復(fù)訓(xùn)練儀的設(shè)計[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究,2017,36(1):77-82.

[23]成大先.機械設(shè)計手冊(第五版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:634-639.

[24]趙鐘,張來平,赫新.基于“各向異性”四面體網(wǎng)格聚合的復(fù)雜外形混合網(wǎng)格生成方法[J].空氣動力學(xué)學(xué)報,2013,31(1):34-39.

[25]彭威.三維實體六面體網(wǎng)格生成關(guān)鍵技術(shù)研究及軟件開發(fā)[D].南京:南京航空航天大學(xué),2011.