健身車式下肢康復(fù)儀結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)分析

連迅，李文慧

(文華學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)部，湖北 武漢 430070)

0 引言

隨著人口老齡化問題越來越嚴重，年齡增大造成的老年疾病和身體機能退化導(dǎo)致嚴重的運動障礙，需要大量的康復(fù)護理人員負責(zé)照顧和護理，這對社會和患者家庭都是極大的負擔[1]。另一方面，由于腦卒中引起下肢障礙的人群近年來也逐步增加。此外，由于交通事故以及其他致傷因素造成的脊髓損傷(SCI)患者也呈逐年遞增趨勢。

針對上述狀況，在康復(fù)治療醫(yī)師資源缺乏的情況下，研究開發(fā)出一種可以為腦卒中與SCI導(dǎo)致的偏癱、截癱等下肢障礙人員及身體機能退化導(dǎo)致運動障礙的老年人提供康復(fù)訓(xùn)練治療的自動化裝置，對提高年邁老人獨立自主生活的能力、幫助腦卒中與SCI導(dǎo)致的偏癱患者樹立重新行走的信心、減輕缺乏康復(fù)治療醫(yī)師的社會負擔等是非常有必要的[2]。

1 健身車式下肢康復(fù)儀的整體方案設(shè)計

目前下肢康復(fù)裝置采取的方案可分為三種：外骨骼減重步行康復(fù)訓(xùn)練機器人、活動踏板式減重步行康復(fù)訓(xùn)練機器人、穿戴式外骨骼輔助步行助力機器人系統(tǒng)[3]。這三種方案各有利弊，通過對其優(yōu)缺點進行分析，本設(shè)計在以上方案的基礎(chǔ)上進行了改進。健身車式下肢康復(fù)儀主要的機構(gòu)組成包括減重裝置、康復(fù)訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)、康復(fù)訓(xùn)練輔助固定機構(gòu)和動力源，如圖1所示。

1—減重裝置；2—輔助固定機構(gòu)；3—執(zhí)行機構(gòu)。圖1 健身車式下肢康復(fù)儀的機構(gòu)組成

減重裝置：傳統(tǒng)的懸掛式或腰胯固定式減重機構(gòu)在使用者的舒適性方面有所欠缺。本設(shè)計采用坐式減重機構(gòu)，可以提高使用者的舒適性，同時免除訓(xùn)練時所需的下肢支撐力，給患者下肢減輕壓力。

康復(fù)訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)：采用自行車踏板運動的形式，由動力元件帶動踏板運動，患者足部隨踏板的運動自適應(yīng)地完成被動形式的康復(fù)訓(xùn)練。

康復(fù)訓(xùn)練輔助固定機構(gòu)：采用外骨骼輔助方式固定，幫助患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中步態(tài)軌跡穩(wěn)定，同時避免康復(fù)運動時下肢朝外側(cè)擺動所造成的二次傷害。

動力源：采用單個電機給康復(fù)訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)提供動力。通過對電機的選型，選擇適合降速機構(gòu)對電機輸出轉(zhuǎn)速進行降速，傳遞給康復(fù)訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)適合的轉(zhuǎn)速。

2 健身車式下肢康復(fù)儀各組成部分的方案設(shè)計

2.1 減重裝置的方案選擇

傳統(tǒng)的懸掛式減重裝置在減重效果上雖有不錯的表現(xiàn)，但會對患者腰胯部造成不適，在舒適性上稍顯不足。而采用坐式的減重機構(gòu)，使用者患肢不需要支付任何的支撐力，在舒適性上有較大提升。本次設(shè)計直接采用座椅作為減重裝置[4]。

針對不同使用者身高差異和腿部骨骼長度不同的問題，將座椅式的減重機構(gòu)設(shè)計成前后可移動的。常見的純機械往復(fù)移動機構(gòu)有：凸輪推桿機構(gòu)、抽水唧筒(手壓式水泵)機構(gòu)(移動導(dǎo)桿機構(gòu))、曲柄滑塊機構(gòu)。

1)凸輪推桿機構(gòu)

使用凸輪推桿機構(gòu)讓減重座椅前后移動。由于座椅自身的質(zhì)量和機構(gòu)所安裝位置需在座椅底部的特殊性，使凸輪的轉(zhuǎn)動必須要有很大的轉(zhuǎn)矩。如果使用電機控制凸輪轉(zhuǎn)動來使座椅位置移動，會使成本大幅增加，且需要空間來設(shè)計電機的安裝位置，產(chǎn)生不必要的麻煩。

2)抽水唧筒機構(gòu)(移動導(dǎo)桿機構(gòu))

抽水唧筒機構(gòu)在省力上有不錯的作用，但如果用來移動座椅位置，就必須要較大的安裝空間，以便于操作。

3)曲柄滑塊機構(gòu)

曲柄滑塊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，可以節(jié)省空間，曲柄設(shè)計合理也可以有較為不錯的省力功能[5]。

綜合上述分析，最后確定使用曲柄滑塊機構(gòu)來調(diào)節(jié)減重座椅的前后位置。

2.2 康復(fù)訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)方案選擇

采用單個電機給予動力，利用健身車形式的踏板運動完成康復(fù)訓(xùn)練。該健身車式下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置整體采用健身車的結(jié)構(gòu)框架，主動施加動力源，而避免讓使用者自身施力。使用減速電機帶動齒形帶輪轉(zhuǎn)動，從而帶動踏板曲柄轉(zhuǎn)動，使用者足部在曲柄踏板上固定，由曲柄的規(guī)律性運動帶動整個受傷下肢跟隨踏板的轉(zhuǎn)動而運動，以達到輔助康復(fù)治療的作用。設(shè)計的康復(fù)訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)如圖2所示。

圖2 康復(fù)訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)

通過健身車或腳踏車的騎行運動與其獨特的特點，使用者可借助曲柄的動作完成鍛煉與康復(fù)活動。對任意的單一曲柄，其運動軌跡均為有跡可循的閉鏈曲線，對使用者的下肢在相同軌跡內(nèi)運動有所保證，能確保康復(fù)訓(xùn)練的安全有效性；同時，在單個的運動周期中，其有章可循的運動特點在令使用者感到舒適的同時，控制方面相對簡單容易，且系統(tǒng)的平穩(wěn)運行也有所保障。因此，使用健身車騎行運動的康復(fù)方式，對康復(fù)訓(xùn)練的安全性和可靠性是有保障的。

2.3 康復(fù)訓(xùn)練輔助固定機構(gòu)的方案設(shè)計

采用現(xiàn)有裝置的康復(fù)訓(xùn)練裝置執(zhí)行機構(gòu)類型，在訓(xùn)練過程中可能會有患肢的擺動而造成二次傷害的可能。因此，需要在此基礎(chǔ)上增加一個輔助機構(gòu)，來保證在康復(fù)訓(xùn)練過程中避免二次傷害的出現(xiàn)。設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 康復(fù)訓(xùn)練輔助固定機構(gòu)

已有的外骨骼執(zhí)行機構(gòu)方案中，在保證患肢的固定上有很可靠的能力，因此將其作為踏板式執(zhí)行機構(gòu)的輔助機構(gòu)聯(lián)合使用。在踏板式康復(fù)執(zhí)行機構(gòu)運轉(zhuǎn)時，踏板曲柄轉(zhuǎn)動，兩塊外骨骼固定板依次連接在踏板曲柄上，大腿外骨骼板連接在座椅上，形成一個曲柄搖桿機構(gòu)。使用者的患肢隨曲柄搖桿機構(gòu)一同運動，在踏板式執(zhí)行機構(gòu)的訓(xùn)練基礎(chǔ)上，附加一個保險固定裝置，令使用者的康復(fù)運動穩(wěn)定、往復(fù)循環(huán)，避免了患肢擺動導(dǎo)致二次傷害的可能。

根據(jù)各功能結(jié)構(gòu)方案的確定，本設(shè)計整體將在健身車的結(jié)構(gòu)框架上進行改裝。整體組成有以下幾部分：底座、臥式齒輪減速電機、齒形同步帶、踏板曲柄、外骨骼輔助固定機構(gòu)、座椅減重裝置和座椅平移裝置，如圖4所示。其工作過程是以臥式齒輪減速電機為原動件，通過彈性柱銷聯(lián)軸器與齒形同步帶輪軸進行連接，帶動齒形同步帶輪轉(zhuǎn)動，將動力傳輸給與大齒形同步帶輪軸連接的踏板曲柄，利用騎行運動的特點，令使用者患肢自適應(yīng)地進行康復(fù)鍛煉，同時在外骨骼輔助固定機構(gòu)的幫助下避免意外傷害的發(fā)生。使用者在使用前可通過座椅平移裝置的曲柄滑塊機構(gòu)，調(diào)整座椅前后位置，來保證在康復(fù)訓(xùn)練過程中坐姿的舒適性。

此裝置采用的是被動鍛煉的形式，患者可以坐在座椅上，減輕了對腿部的負荷，同時添加輔助裝置保證肢體在一個平面運動，有效防止肢體擺動，避免在進行康復(fù)鍛煉時造成二次傷害，且整個裝置的傳動平穩(wěn)，無剛性沖擊，只需由一個電機驅(qū)動，操作簡單，占據(jù)位置也較小。

1—底座；2—座椅減重裝置；3—外骨骼輔助固定機構(gòu)；4—踏板曲柄；5—齒形同步帶；6—座椅平移裝置。圖4 健身車式下肢康復(fù)裝置

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算

3.1 曲柄踏板與輔助外骨骼的設(shè)計計算

曲柄踏板與輔助外骨骼組成了曲柄搖桿機構(gòu)，按常規(guī)算法計算曲柄搖桿機構(gòu)，根據(jù)小腿外骨骼輔助固定板長度、踏板曲柄長度和大腿外骨骼輔助板長度，計算出機架長度[6]。但是計算出曲柄搖桿機構(gòu)的搖桿擺角會出現(xiàn)過大的情況，而搖桿的運動軌跡關(guān)乎大腿的運動軌跡，搖桿擺角必須是一個適宜的角度。因此在設(shè)計曲柄搖桿機構(gòu)時，必須先設(shè)定好大腿外骨骼輔助板的長度和其作為擺桿時的擺角、機架的長度，通過這兩個已知條件計算出其他桿件的長度。

身高160～180cm的正常人小腿骨骼和大腿骨骼長度為45cm左右。圖5中AB為踏板曲柄，BC為小腿外骨骼輔助固定板，CD為大腿外骨骼輔助板，A、D為機架，OC為使用者大腿。

其中已知條件為大腿外骨骼輔助板CD=30cm，其擺角為45°，隨CD擺動的大腿長OC=45cm，繪圖后可知大腿與座椅平面的擺動角度為41°，在人體髖關(guān)節(jié)正常活動范圍之內(nèi)。設(shè)定機架A與D的相對位置如圖5(a)所示，直線長度約為45cm，與水平面的角度為45°。通過以上已知條件可以列方程計算出踏板曲柄AB與小腿外骨骼輔助固定板BC的長度。

通過已知條件可以測量出大腿外骨骼輔助板處于兩個極限位置時AC1和AC2的長度為AC1≈54cm，AC2≈32cm，由此可根據(jù)幾何關(guān)系列出方程組

其中AB1=AB2=AB，B1C1=B2C2=BC，即

解得：AB=11cm；BC=43cm。

小腿外骨骼輔助固定板BC長度為43cm，長度范圍(45cm左右)合適；踏板曲柄AB長度為11cm。

將D點在水平方向上向左平移20cm(椅子的位移行程)，D點位置不變，依照上述計算出的曲柄踏板AB和小腿外骨骼輔助固定板BC長度以及已知的大腿外骨骼輔助板CD長度，可以得出圖5(b)。驗算可知，設(shè)計的曲柄擺桿機構(gòu)滿足座椅前后平移20cm的條件，而不會破壞其作為曲柄擺桿機構(gòu)的本質(zhì)。此時，大腿與座椅平面的擺動角度為-9°，在人體髖關(guān)節(jié)正?；顒咏嵌确秶鷥?nèi)。

圖5 曲柄連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 減重裝置平移機構(gòu)的設(shè)計計算

減重裝置平移機構(gòu)的位移行程設(shè)計為20cm，與康復(fù)訓(xùn)練裝置執(zhí)行機構(gòu)輔助機構(gòu)所設(shè)計的曲柄連桿機構(gòu)計算結(jié)果吻合。設(shè)計行程為20cm，主要是為了適應(yīng)不同身高或腿長的人能保持舒適的坐姿，而不會在進行康復(fù)鍛煉時坐姿感到別扭，屬于人性化設(shè)計。平移機構(gòu)采用曲柄滑塊機構(gòu)[7]。

設(shè)計的曲柄滑塊機構(gòu)簡圖如圖6所示。此時的座椅處于最前初始位置，向左下壓曲柄把手可使座椅滑塊向后移動。當達到行程終點時，由于滑塊被限位，曲柄把手無法繼續(xù)向下壓，由最后初始位置向前移動也是如此?；瑒幼蔚饺我馕恢煤?，患者坐上椅子，由患者的體重產(chǎn)生壓力，使座椅不會在進行康復(fù)運動時前后晃動。此滑塊機構(gòu)有曲柄存在的條件為a+e≤b，其中a=30cm；e=2cm；b=38.1cm，滿足此曲柄滑塊機構(gòu)存在曲柄的條件，設(shè)計成立。曲柄a段與連桿b連接的節(jié)點上部分設(shè)計長度使其大于a的長度，可使其達到杠桿的效果，在平移座椅位置使可以達到省力的效果。

圖6 曲柄滑塊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

4 基于SolidWorks的健身車式下肢康復(fù)裝置的三維建模

完成所有零部件的建模后，即可對整體的總裝配體進行安裝。在SolidWorks中新建一個assembly文件，插入底座零件后進行固定，再依次插入所有零件進行裝配，添加所有在安裝時所需的約束，并檢驗是否有模型干涉，檢查無誤后即是完成整體模型的構(gòu)建，如圖7所示。

圖7 健身車式下肢康復(fù)裝置的總裝圖

5 結(jié)語

本文提出了一種健身車式下肢康復(fù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對其機構(gòu)設(shè)計方案進行了詳細介紹，通過踏板式康復(fù)執(zhí)行機構(gòu)與外骨骼輔助固定機構(gòu)的有機結(jié)合，運用腳踏車運動方式制定康復(fù)訓(xùn)練策略，在對各結(jié)構(gòu)進行選型計算后，通過SolidWorks進行三維建模，模擬下肢康復(fù)裝置的工作過程是否合理，有無干涉等現(xiàn)象，其仿真結(jié)果證明結(jié)構(gòu)安全，具有廣闊的發(fā)展前景和實用價值。