下肢牽伸裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析與仿真

馬 碩, 張 弛*, 陳秀明, 馮賀松

(1.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018；2.石家莊市第一醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)中心，石家莊 050011)

序列訓(xùn)練法是一種基于運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)理念的訓(xùn)練組織模式，把國(guó)外專家提出的運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)中高效率的康復(fù)訓(xùn)練法組合成數(shù)個(gè)訓(xùn)練組進(jìn)行間歇循環(huán)訓(xùn)練[1]，序列訓(xùn)練法有著增加訓(xùn)練時(shí)間和強(qiáng)度、訓(xùn)練特異性強(qiáng)、提高患者依從性等多個(gè)特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)評(píng)定后相對(duì)于常規(guī)康復(fù)治療訓(xùn)練有著一定的優(yōu)勢(shì)。

在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，治療師需要在助手的協(xié)助下對(duì)一個(gè)或多個(gè)病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這嚴(yán)重增加了治療師的工作強(qiáng)度[2-3]。目前國(guó)外以外骨骼和下肢康復(fù)機(jī)器人研究為主，如瑞士的MotionMaker設(shè)計(jì)了類似人體下肢的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)人體運(yùn)動(dòng)，并附加有電刺激功能[4]。加拿大大學(xué)研制的VIGRR,通過(guò)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)來(lái)模仿帶動(dòng)患者下肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練[5]。德國(guó)研制的FES腳踏車不光能夠進(jìn)行下肢蜷伸訓(xùn)練還附帶低頻電流刺激[6]。而中國(guó)雖然起步較晚，但也取得了一定的成果，如燕山大學(xué)的下肢康復(fù)機(jī)器人是目前中國(guó)最為接近臨床實(shí)驗(yàn)的、能夠根據(jù)使用者來(lái)調(diào)節(jié)下肢的長(zhǎng)度寬度[7]。

雖然但是目前市場(chǎng)上的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備都不能同時(shí)滿足序列訓(xùn)練法中小腿肱三頭肌牽伸臥位牽伸、下肢蜷伸等動(dòng)作的需要，而且研制的成本較高并不利于大規(guī)模推廣。因此提出了一種用于序列訓(xùn)練的下肢牽伸裝置的設(shè)計(jì)方法，并用ADAMS和SW對(duì)其進(jìn)行了仿真研究[8-10]。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

該康復(fù)訓(xùn)練裝置用于對(duì)腦卒中患者下肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，通過(guò)座椅下兩側(cè)的蝸輪蝸桿直流減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)患者下肢分別做下肢三頭肌的牽伸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提高患者康復(fù)效率并且能夠大幅減輕康復(fù)醫(yī)師的勞動(dòng)強(qiáng)度。下肢牽伸裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 下肢牽伸裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of lower limb draft device

下肢牽伸裝置主要由牽伸模塊、滑動(dòng)模塊以及座椅模塊組成。其中，牽伸模塊包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、連桿、小腿伸縮桿、彈簧、踏板等?；瑒?dòng)模塊包括有滑槽、連桿、移動(dòng)栓等。座椅模塊包括仰臥連接塊、小臂鍛煉扶手、升降臺(tái)等構(gòu)件組成。該下肢肱三頭肌牽伸裝置主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①能夠通過(guò)該裝置完成多種序列訓(xùn)練法中專業(yè)的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作；②通過(guò)減速電機(jī)控制下肢肱三頭肌的牽伸，具有自鎖功能適合用于康復(fù)鍛煉；③省去了限位機(jī)構(gòu)通過(guò)計(jì)算用四桿機(jī)構(gòu)控制下肢抬升的角度，延長(zhǎng)了使用壽命和制造成本；④踏板能夠安裝在滑動(dòng)模塊，患者能通過(guò)健側(cè)下肢帶動(dòng)患側(cè)下肢自主進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練；⑤左右兩個(gè)電機(jī)分別控制，能夠單獨(dú)鍛煉患肢。

1.1 人體下肢結(jié)構(gòu)的分析

以序列訓(xùn)練法為康復(fù)理論基礎(chǔ)，其主要是對(duì)人體下肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，因此主要對(duì)人體下肢進(jìn)行分析。

人體的下肢的主要作用有運(yùn)動(dòng)、支撐及保持穩(wěn)定等。人體下肢的主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)由髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)三個(gè)部分組成。該下肢牽伸裝置活動(dòng)范圍參數(shù)如表1所示。

表1 下肢主要關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍

由于使用的患者為腦卒中術(shù)后康復(fù)患者因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)再考慮到患者的身體素質(zhì)的情況下減小下肢各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。根據(jù)GB 10000—88中給出的中國(guó)成年人人體主要尺寸參數(shù)。該下肢牽伸裝置主要涉及的參數(shù)如表2所示。

表2 人體相關(guān)參數(shù)

1.2 牽伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

下肢牽伸裝置通過(guò)減速電機(jī)帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，下肢牽伸裝置可以調(diào)節(jié)為以下兩種模式。

模式一患者下肢通過(guò)腳踏板和小腿桿上繃帶進(jìn)行坐姿和臥姿兩種形式的下肢肱三頭肌的牽伸訓(xùn)練。如圖2所示為臥位的小腿肱三頭肌牽伸和髖伸展訓(xùn)練。

圖2 臥位肱三頭肌牽伸Fig.2 Drawing of triceps brachii in supine position

模式二僅通過(guò)踏板來(lái)固定使用者的腳部。經(jīng)計(jì)算當(dāng)患者下肢長(zhǎng)度比小腿桿長(zhǎng)80 m時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更加符合患者的活動(dòng)角度。此時(shí)患者在下肢連桿的帶動(dòng)下進(jìn)行下肢整體的蜷伸運(yùn)動(dòng)如圖3所示。

圖3 模式二下肢蜷伸狀態(tài)Fig.3 Crouching state of lower limbs of mode 2

患者在使用下肢牽伸裝置進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，還可以根據(jù)醫(yī)師對(duì)不同患者的病情不同選擇不同的模式進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練此外醫(yī)師還能夠根據(jù)患者的身體情況選擇適合患者的下肢擺動(dòng)幅度和速度。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析那能夠建立腦卒中患者下肢大腿小腿和曲柄之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，能夠建立它們之間位置、速度和加速度的定量關(guān)系，為下肢牽伸裝置的設(shè)計(jì)和安全驗(yàn)證提供基礎(chǔ)。通過(guò)矢量方程來(lái)建立人機(jī)單側(cè)模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，在單側(cè)人機(jī)運(yùn)動(dòng)模型中，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)處為坐標(biāo)原點(diǎn)，按照?qǐng)D4所表示建立坐標(biāo)系。

因在模式一的情況下小腿與小腿桿可視為一體，因此可視為四桿機(jī)構(gòu)，遂不在文中單獨(dú)討論。當(dāng)模式二時(shí)為多連桿機(jī)構(gòu)建立為了方便計(jì)算建立坐標(biāo)系如圖4所示。

A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)、E點(diǎn)、F點(diǎn)、G點(diǎn)分別表示為曲柄旋轉(zhuǎn)中心、連桿與曲柄交點(diǎn)、連桿與搖桿交點(diǎn)、搖桿與椅子交點(diǎn)、小腿與小腿桿之間的交點(diǎn)、膝旋轉(zhuǎn)中心、髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心；l1、l2、l3、l4、l5、l6、分別為曲柄長(zhǎng)度、連桿長(zhǎng)度、搖桿長(zhǎng)度、小腿支撐桿的長(zhǎng)度、小腿的長(zhǎng)度及大腿的長(zhǎng)度；θ1～θ5、α、β為相關(guān)夾角圖4 模式二人機(jī)多桿運(yùn)動(dòng)模型Fig.4 Multi bar motion model of mode 2

2.1 確定封閉區(qū)間

根據(jù)運(yùn)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖首先確定封閉區(qū)間:

(1)

由封閉區(qū)間，得:

(2)

式(2)中：α為已知量，且有θ3+θ4=α。

(3)

2.2 速度分析

將式(3)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得：

(4)

轉(zhuǎn)化為矩陣形式為

(5)

2.3 角加速度分析

化簡(jiǎn)的矩陣對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)：

(6)

2.4 F點(diǎn)(膝關(guān)節(jié))的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

2.4.1 位移

(7)

2.4.2 速度

(8)

2.4.3 加速度

(9)

通過(guò)上面對(duì)下肢牽伸裝置模式二人機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了下肢牽伸裝置模式二狀態(tài)下人機(jī)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)曲柄與患者大小腿之間的位置、速度、加速度的關(guān)系，同理只要確定初始參數(shù),其他各點(diǎn)的位移、速度、加速度也能夠得出。只要給出驅(qū)動(dòng)件曲柄的運(yùn)動(dòng)參數(shù)即可根據(jù)上述建立的計(jì)算公式計(jì)算出相應(yīng)狀態(tài)下患者大腿和小腿的位置、速度以及加速度等信息。

3 仿真分析

對(duì)下肢牽伸裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析的目的是為了檢驗(yàn)下肢牽伸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理及人體髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的屈伸角度從而判斷其是否符合患者的使用要求。

在模式二的情況下進(jìn)行仿真時(shí)，由于模式一中小腿桿和小腿是重合的，因此模式一中小腿的運(yùn)動(dòng)曲線可以視作模式二中小腿桿的運(yùn)動(dòng)曲線見圖5。

如圖5所示可以看出曲柄旋轉(zhuǎn)一周，在模式一的情況下小腿的擺動(dòng)范圍為99.5°，模式二情況下小腿的擺動(dòng)角度為78°髖關(guān)節(jié)的擺角為32°。圖6膝關(guān)節(jié)的最大夾角為135°可以看出其角度均符合康復(fù)理論醫(yī)學(xué)中給出的角度。還可以通過(guò)調(diào)節(jié)髖關(guān)的位置來(lái)調(diào)節(jié)患者下肢各部位擺動(dòng)角度。

圖5 模式一、二大小腿角度Fig.5 Angle of calves in mode 1 and mode 2

圖6 模式二膝關(guān)節(jié)夾角Fig.6 Angle of knee joint in mode 2

如圖7所示為轉(zhuǎn)速在5 r/min情況下，下肢各關(guān)節(jié)角速度的速度曲線，角速度在人體關(guān)節(jié)接受的最大速度之內(nèi)。因此符合患者的使用要求，并且康復(fù)醫(yī)師也可根據(jù)患者的實(shí)際情況對(duì)下肢牽伸裝置的速度進(jìn)行調(diào)整使其達(dá)到最佳的康復(fù)訓(xùn)練狀態(tài)，此外從圖7中能夠看出極限位置的速度增幅仍需進(jìn)一步修改。

圖7 大小腿轉(zhuǎn)動(dòng)角速度Fig.7 Rotation angular speed of big and small legs

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖8在完成工程樣機(jī)之后，因時(shí)間對(duì)下肢障礙患者進(jìn)行下肢功能恢復(fù)(Fugl-Meyer表下肢部分)治療1個(gè)月后，對(duì)三組患者的康復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，因設(shè)備完成度和時(shí)間關(guān)系康復(fù)設(shè)別組試用數(shù)據(jù)不夠多但有一定說(shuō)服力?？祻?fù)設(shè)備組和序列訓(xùn)練組患者的下肢運(yùn)動(dòng)功能的提高更加明顯，差異具有顯著的意義(P<0.05)。在三組患者康復(fù)訓(xùn)練1個(gè)月之后再對(duì)三組患者的步行能力(functional ambulation category,FAC)進(jìn)行比較，患者步行能力提高更為明顯的是康復(fù)設(shè)備組然后是序列訓(xùn)練組，差異具有顯著性意義(P<0.05)。康復(fù)設(shè)備組不僅減少了人力，相對(duì)于序列訓(xùn)練組也有一定的提高，見表3。

圖8 下肢蜷伸試用圖Fig.8 Trial drawing of lower limb curling

表3 患者治療一個(gè)月后評(píng)分

5 結(jié)論

康復(fù)臨床試驗(yàn)證明，下肢牽伸裝置配合序列訓(xùn)練法，對(duì)促進(jìn)腦卒中患者的康復(fù)具有一定意義。