踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的優(yōu)化設(shè)計與研究

黃 夏， 劉志輝

(東華大學(xué) 機械工程學(xué)院， 上海 201620)

踝關(guān)節(jié)損傷是一種常見病癥。人在行走、跑跳運動時，踝關(guān)節(jié)意外失穩(wěn)受傷的概率極大，居全身關(guān)節(jié)損傷首位[1]。人們在從事某些運動項目如籃球、羽毛球、健美操時，踝關(guān)節(jié)損傷發(fā)生概率更大[2-4]，約30%的運動損傷來源于踝關(guān)節(jié)損傷，是造成運動員無法比賽的首要原因[5]。在針對關(guān)節(jié)功能康復(fù)訓(xùn)練的臨床治療上，相對于近端關(guān)節(jié)，遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)的研究較少，尤其是踝關(guān)節(jié)[6]。踝關(guān)節(jié)的康復(fù)是患者下地行走的前提，是進(jìn)行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)。患者出現(xiàn)廢用性肌萎縮、攣縮畸形、足下垂等病癥，往往與忽視踝關(guān)節(jié)康復(fù)有關(guān)[7]。因此，對踝關(guān)節(jié)損傷人群來說，踝關(guān)節(jié)的康復(fù)對人的整體運動機能的康復(fù)有著極其重要的意義[8]。

現(xiàn)有的踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備仍存在一定弊端：高端康復(fù)設(shè)備價格高，患者使用設(shè)備需要長時間排隊等候，并承擔(dān)高昂醫(yī)療費；低端康復(fù)設(shè)備缺乏人機工程方面的研究，導(dǎo)致運動結(jié)構(gòu)與人體運動機理結(jié)合度不夠高。本文在研究市面現(xiàn)有踝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置運動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從人體康復(fù)運動機理的角度出發(fā)，設(shè)計一種新的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置，該裝置從機構(gòu)設(shè)計上進(jìn)行了再設(shè)計，裝置設(shè)計完成后將其與市面上同類產(chǎn)品進(jìn)行對照試驗，以驗證優(yōu)化模型的可靠性。

1 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置現(xiàn)狀

踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置多用于踝關(guān)節(jié)外傷術(shù)后的恢復(fù)治療過程。當(dāng)前市場現(xiàn)有且具有代表性的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的綜合分析結(jié)果如表1所示。

表1 代表性踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置綜合分析Table 1 Comprehensive analysis of representative ankle joint rehabilitation training devices

續(xù)表1

通過對市場踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有裝置主要存在以下問題：(1)大多適合在康復(fù)醫(yī)院等壞境使用，可家用的較少；(2)在設(shè)計上多為功能化設(shè)計，對工業(yè)設(shè)計關(guān)注較少；(3)設(shè)計的運動旋轉(zhuǎn)軸多為3個標(biāo)準(zhǔn)正交旋轉(zhuǎn)軸，與生活中踝關(guān)節(jié)的復(fù)合運動存在偏差。

2 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置運動方式與運動范圍規(guī)劃

目前醫(yī)學(xué)上用于描述踝部與足部運動的術(shù)語包含兩套：基本術(shù)語和應(yīng)用術(shù)語。其中，基本術(shù)語描述足部或踝部發(fā)生的與3個標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)軸正交的運動。通過對踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的市場競品進(jìn)行分析，并走訪上海養(yǎng)志康復(fù)醫(yī)院進(jìn)行實地考察，發(fā)現(xiàn)市面上大部分踝關(guān)節(jié)康復(fù)運動設(shè)備都是以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計的，且具備輔助踝關(guān)節(jié)背屈、跖屈功能的較多，而具備輔助踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻、外翻功能的較少。由于踝部與足部由踝關(guān)節(jié)、距下關(guān)節(jié)、跗橫關(guān)節(jié)等3個主要關(guān)節(jié)組成，在這些關(guān)節(jié)處發(fā)生的多數(shù)運動圍繞的是運動定義描述的旋轉(zhuǎn)斜軸(旋轉(zhuǎn)斜軸的方向因主要關(guān)節(jié)而異)，而不是3個標(biāo)準(zhǔn)正交旋轉(zhuǎn)軸，所以上文所述的基本術(shù)語是不充分的?；具\動定義與應(yīng)用運動定義旋轉(zhuǎn)軸如圖1所示。

圖1 基本運動定義與應(yīng)用運動定義旋轉(zhuǎn)軸示意圖Fig.1 Rotation axis diagram of basic motion definition and application motion definition

從肌肉和關(guān)節(jié)相互作用的角度分析踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻、外翻運動發(fā)現(xiàn)，脛前肌控制背屈的同時伴隨內(nèi)翻與內(nèi)收，腓腸肌與腓短肌控制外翻的同時伴隨跖屈與外展[9]。由此可見，踝關(guān)節(jié)在日常生活中所做的運動多為復(fù)合運動。本設(shè)計以此為基礎(chǔ)，對踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的內(nèi)翻、外翻運動方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

一個合理的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置應(yīng)將人機工程學(xué)與踝關(guān)節(jié)生理結(jié)構(gòu)以及其運動機理相結(jié)合。踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻、背屈、內(nèi)收3個運動互為伴隨運動，外翻、跖屈、外展3個運動互為伴隨運動。裝置的運動方式規(guī)劃為：裝置在內(nèi)翻時伴隨背屈、內(nèi)收，在外翻時伴隨跖屈、外展。根據(jù)表1可知，市面輔助踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻、外翻運動的裝置所占比例不高。故本設(shè)計以踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻、外翻運動為主運動，并伴隨一定背屈、跖屈、內(nèi)收、外展運動。由于相關(guān)文獻(xiàn)較少，為規(guī)劃運動時各個角度的選用，招募3名在校大學(xué)生進(jìn)行踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻、外翻時各個方向上的角度測量，測量工具為醫(yī)用骨頭關(guān)節(jié)尺，將被測者的踝部分別用手固定到其內(nèi)翻、外翻的極限位置后對各個方向的角度進(jìn)行測量，為便于裝置設(shè)計開發(fā)，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行取整處理。踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的運動角度范圍如表2所示，其設(shè)計方案框架模型如圖2所示。

表2 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置運動角度范圍

圖2 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置框架示意圖Fig.2 Schematic diagram of ankle joint rehabilitation training device frame

3 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文裝置的使用功能定位在踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練前期，為踝關(guān)節(jié)活動受限患者做被動牽伸訓(xùn)練，因此設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)具備牽伸訓(xùn)練的功能。踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)如圖3所示。

由圖3可知，在裝置的底座尾端設(shè)計了3處可動結(jié)構(gòu)，底座首端設(shè)計了運動軌跡控制結(jié)構(gòu)。其中，底座尾端的3處可動結(jié)構(gòu)分別用來實現(xiàn)內(nèi)翻/外翻與背屈/跖屈運動、內(nèi)收/外展運動以及運動軸心固定。

圖3 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)圖Fig.3 Structure detail drawing of ankle joint rehabilitation training device

圖3中編號①的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)運動軌跡。其中，零件3控制運動軌跡，零件1、零件2與彈簧的組合結(jié)構(gòu)控制裝置的使用角度。零件1與連接件1前端的小孔進(jìn)行過盈安裝，將彈簧與零件2固定在連接件1上，通過移動編號①的結(jié)構(gòu)來控制裝置尾端各方向的聯(lián)動運動，從而實現(xiàn)整個裝置的伴隨運動。結(jié)構(gòu)①從圖3所示位置向上移動則發(fā)生內(nèi)翻、背屈、內(nèi)收的聯(lián)動，反之發(fā)生外翻、跖屈、外展的聯(lián)動；上移位置越多，內(nèi)翻角度越大、伴隨運動角度越大，反之同理。

圖3中編號②的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)踩板內(nèi)翻/外翻與背屈/跖屈運動，該結(jié)構(gòu)選用直齒錐齒輪。其中，錐齒輪1與錐齒輪2之間相互嚙合并通過連接件1傳動來實現(xiàn)踩板的內(nèi)翻/外翻與背屈/跖屈運動。直齒錐齒輪選用的參數(shù)如表3所示。

表3 直齒錐齒輪選用參數(shù)Table 3 Selection parameters of spur bevel gears

圖3中編號③的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)運動軸心固定，該結(jié)構(gòu)中的零件4與零件5將連接件1與連接件2同支架互相固定。其中，連接件1與連接件2的交點是錐齒輪1旋轉(zhuǎn)的圓心、錐齒輪2的圓心、內(nèi)翻/外翻與背屈/跖屈運動的中心點、內(nèi)收/外展旋轉(zhuǎn)運動的中心點，該結(jié)構(gòu)在整個裝置結(jié)構(gòu)中具有非常重要的作用與意義。

圖3中編號④的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)踩板內(nèi)收/外展運動，該結(jié)構(gòu)中的支架與底座相配合從而實現(xiàn)此運動。

4 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的工業(yè)設(shè)計

一個成熟的產(chǎn)品僅有結(jié)構(gòu)和功能是不完整的，也要充分考慮用戶的需求和人機交互的關(guān)系，從造型和色彩上對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，這就需要對產(chǎn)品進(jìn)行合理的工業(yè)設(shè)計。產(chǎn)品功能列表是用戶需求的集合，通過整理用戶需求并結(jié)合市場現(xiàn)有踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練產(chǎn)品調(diào)研得到產(chǎn)品功能列表，如表4所示。

表4 產(chǎn)品功能列表Table 4 Product feature list

由表1中相關(guān)產(chǎn)品調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場現(xiàn)有產(chǎn)品外觀大多比較死板，造型及顏色較為單一，基本上以實現(xiàn)功能為主。在設(shè)備具備基本功能并確保其強度與穩(wěn)定性的前提下，產(chǎn)品的造型設(shè)計需做一定的線條柔化處理，以在視覺上給人親近感。

踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的使用人群為踝關(guān)節(jié)損傷患者，從患者角度出發(fā)不宜選用太過鮮艷的暖色調(diào)顏色，從醫(yī)療裝備行業(yè)屬性來說色彩要體現(xiàn)產(chǎn)品帶來的安全感與專業(yè)感，故裝置設(shè)計采用藍(lán)白作為產(chǎn)品主色調(diào)。踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的效果圖如圖4所示。

圖4 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置效果圖Fig.4 Effect picture of ankle joint rehabilitation training device

5 對照試驗

足底壓力分析在康復(fù)醫(yī)學(xué)、鞋品制造與優(yōu)化設(shè)計等多個領(lǐng)域都有廣泛運用[10]。目前應(yīng)用較多的足底壓力測試技術(shù)有單點壓力、力板壓力、壓力鞋與鞋墊等測試技術(shù)[11]。足底壓力測試試驗可以從足部壓力反饋中推理出很多人體生理信息[12]。研究表明，人機界面(足底與接觸面)壓力大小可以反映穿戴式設(shè)備人機工程學(xué)的優(yōu)良程度。人體足部姿態(tài)在穿戴裝置的尺寸、關(guān)節(jié)角度、結(jié)構(gòu)硬度等參數(shù)發(fā)生改變時會進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而導(dǎo)致足底壓力分布狀態(tài)的改變。在同等穿戴條件下，足底壓力越小、壓力分布越均勻，則說明該穿戴設(shè)備的人機工程學(xué)角度評估更優(yōu)。所以足底壓力是一個反饋穿戴狀態(tài)的很直觀的參考[13]。

5.1 試驗設(shè)備

本試驗采用FS-INS-W99-V1型足底壓力測試系統(tǒng)，該設(shè)備有99個相互獨立感應(yīng)區(qū)，采用15行7列感應(yīng)區(qū)布局，當(dāng)感應(yīng)區(qū)受壓時，底層彼此分離的線路導(dǎo)通，感應(yīng)區(qū)的輸出電阻隨著壓力變化發(fā)生相應(yīng)變化。設(shè)備主板將鞋墊的壓力信息經(jīng)矩陣算法計算后將數(shù)據(jù)通過2.4 G無線接收器傳輸?shù)街鳈C上。

5.2 試驗器材

試驗器材1為自制踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置，如圖5所示。

圖5 自制踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置Fig.5 Self-made ankle joint rehabilitation training device

試驗器材2為試驗對比參照組，選用市面上同等功能、性能、價格并應(yīng)用較廣的品牌裝置——德度光電科技研發(fā)的DDXL-H-02型踝關(guān)節(jié)康復(fù)運動器，如圖6所示。

圖6 德度DDXL-H-02型踝關(guān)節(jié)康復(fù)運動器Fig.6 Dedu DDXL-H-02 ankle joint rehabilitation exercise device

5.3 試驗對象

本次試驗共招募測試者30人，其中，男性18人，女性12人。年齡為22～26歲，身高為150～182 cm，體重為42～86 kg，鞋子尺碼(中國標(biāo)準(zhǔn))為34～44，接受測試時踝關(guān)節(jié)健康且未受損傷。

5.4 試驗內(nèi)容

每位測試者都將進(jìn)行兩組試驗，分別為試驗1、試驗2。

試驗1：測試者用左腳穿戴DDXL-H-02型踝關(guān)節(jié)康復(fù)運動器。佩戴好足壓檢測裝置，將訓(xùn)練裝置內(nèi)翻、外翻角度分別調(diào)整為0°、10°、20°、30°。每個角度保持靜止?fàn)顟B(tài)5 min，并采集記錄足壓數(shù)據(jù)。

試驗2：測試者用左腳穿戴本課題設(shè)計的踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練裝置。佩戴好足壓檢測裝置，將訓(xùn)練裝置內(nèi)翻、外翻角度分別調(diào)整為0°、10°、20°、30°。每個角度保持靜止?fàn)顟B(tài)5 min，并采集記錄足壓數(shù)據(jù)。

試驗過程與環(huán)境如圖7所示。

圖7 試驗過程與環(huán)境Fig.7 Experimental process and environment

6 試驗數(shù)據(jù)分析

將試驗采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB-2020a軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。為方便實施與統(tǒng)計，將自制踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置與德度DDXL-H-02型踝關(guān)節(jié)康復(fù)運動器分別命名為自制裝置與對照裝置。

對受試者在同一角度不同裝置下的壓力值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。隨機抽取5個樣本分別在0°、內(nèi)翻10°、內(nèi)翻20°、內(nèi)翻30°、外翻10°、外翻20°、外翻30°時使用兩個試驗裝置測得的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖8所示，其中，橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)分別代表對照裝置與自制裝置的足壓數(shù)據(jù)數(shù)值大小，足壓數(shù)據(jù)為足底壓力測試鞋墊反饋出的數(shù)據(jù)，無具體的標(biāo)準(zhǔn)單位。由于每次測量的足部受力數(shù)據(jù)點存在一定差異，無法用兩個裝置相對應(yīng)點數(shù)據(jù)進(jìn)行直接對比。為對比兩者的受力情況，將測量的兩組數(shù)據(jù)由大到小重新排序，根據(jù)排序順序逐點進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)點在參照線下方，則受試者使用自制裝置比使用對照裝置受力小，反之為使用自制裝置比使用對照裝置受力大。

由圖8可以看出，受力小時，自制裝置明顯較優(yōu)，受力增加時，兩者近乎趨同。分析其中原因，受力大的數(shù)據(jù)來自足部與裝置的主要接觸面，其所承受重量與測試者的自身體重(或腿重)有關(guān)，因此呈現(xiàn)出大受力值趨同現(xiàn)象。在其他(輔助)受力處，自制裝置可以有效緩解受力狀況，而對照裝置依舊會產(chǎn)生較大的受力，因此受力小的時候自制裝置明顯較優(yōu)。

圖8 單個樣本在不同角度下使用不同裝置測得的足壓數(shù)據(jù)對比(隨機抽取5個樣本)Fig.8 Comparison of foot pressure data before and after using different equipment for a single sample at different angles (five random samples)

對照裝置和自制裝置的30個樣本分別在0°、內(nèi)翻10°、內(nèi)翻20°、內(nèi)翻30°、外翻10°、外翻20°、外翻30°時剔除均值小于1的數(shù)據(jù)點的平均足壓值域分布情況如圖9和10所示，其中，紅點虛線μ1、μ2分別表示對照裝置與自制裝置上30個試驗樣本在不同角度下的整體足壓數(shù)據(jù)平均值。

當(dāng)足壓為0～200時，由圖9和圖10可知：內(nèi)翻10°、20°、30°時對照裝置足壓小的數(shù)據(jù)量比自制裝置多，這是由于被測試者使用自制裝置時在一些輔助受力處產(chǎn)生了部分副受力點；外翻10°、20°、30°時自制裝置足壓小的數(shù)據(jù)量比對照裝置多，并且在區(qū)間內(nèi)分布更廣，這是由被測試者在使用自制裝置時其他(輔助)受力處所受壓力更小更均勻所導(dǎo)致的；在受力值大的區(qū)域兩裝置的足壓大小及分布數(shù)量趨同，分析其原因應(yīng)與被測試者自身體重(或腿重)有關(guān)。

圖9 對照裝置不同角度全部樣本足壓數(shù)據(jù)整體分布對比Fig.9 Comparison of the overall distribution of foot pressure data of all samples from different angles of the control device

圖10 自制裝置不同角度全部樣本足壓數(shù)據(jù)整體分布對比Fig.10 Comparison of the overall distribution of foot pressure data of all samples from different angles of the self-made device

由此可以看出：在外翻10°、外翻20°、外翻30°時，與對照裝置相比，自制裝置檢測的平均足底壓力更小；在內(nèi)翻10°、內(nèi)翻20°、內(nèi)翻30°時，自制裝置與對照裝置檢測的平均足底壓力較為接近。

整體來看，自制裝置和對照裝置足底總壓力均值波動分別為17.97和41.61。因此，與對照裝置相比，自制裝置在使用過程中總體足底壓力更小并且壓力值波動較小，更符合踝關(guān)節(jié)生理結(jié)構(gòu)及其運動機理。

7 結(jié) 語

針對目前踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置使用情況不佳的現(xiàn)狀，設(shè)計開發(fā)了一款康復(fù)訓(xùn)練裝置，該裝置從機構(gòu)設(shè)計與工業(yè)設(shè)計上對康復(fù)運動進(jìn)行了優(yōu)化，改變了傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)正交三旋轉(zhuǎn)軸的運動模式。通過足壓對比試驗分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的康復(fù)訓(xùn)練裝置較市面主流產(chǎn)品在足底壓力上的表現(xiàn)更好，表明該裝置設(shè)計更符合踝關(guān)節(jié)的生理結(jié)構(gòu)及其運動機理，為踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置設(shè)計提供了新思路。若僅從內(nèi)翻角度表現(xiàn)來看，自制裝置與對照裝置的試驗結(jié)果表現(xiàn)相似，未表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，通過數(shù)據(jù)分析及受試人員信息反饋可知，造成此結(jié)果的原因是自制裝置內(nèi)翻時伴隨的背屈角度選擇較大。后續(xù)研究可對其角度進(jìn)行改進(jìn)并在此運動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入踝關(guān)節(jié)復(fù)合運動時各分運動間的角度變化研究，并以足底壓力數(shù)據(jù)為評定標(biāo)準(zhǔn)，確定更優(yōu)的相互運動角度范圍。