基于TRIZ理論的娛樂康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

國(guó)秀麗 吳靜松 吳貴軍

（安陽(yáng)工學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

0 引言

我國(guó)是人口大國(guó)，且人口老齡化結(jié)構(gòu)日趨明顯，腦卒中、腦外傷患者的比例明顯增加，腦組織損傷是無(wú)法逆轉(zhuǎn)的，致殘、致死率高，大部分患者存在運(yùn)動(dòng)功能障礙、走路失穩(wěn)、記憶力減退等癥狀，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)肌無(wú)力、不能自主運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致長(zhǎng)期臥床，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。通過(guò)康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練來(lái)促進(jìn)神經(jīng)發(fā)育和代償，從而改善和恢復(fù)上肢的運(yùn)動(dòng)功能，使患者能獨(dú)立生活［1］?？祻?fù)訓(xùn)練是一個(gè)周期長(zhǎng)、起效慢、枯燥乏味的治療過(guò)程，往往一個(gè)康復(fù)動(dòng)作要患者重復(fù)進(jìn)行數(shù)以萬(wàn)計(jì)的強(qiáng)化訓(xùn)練，患者有可能產(chǎn)生對(duì)生活看不到希望、孤獨(dú)、焦慮、抑郁等負(fù)面情緒。在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中引入娛樂功能是目前康復(fù)訓(xùn)練器械領(lǐng)域比較關(guān)注的問(wèn)題，利用娛樂功能提高患者的康復(fù)熱情，讓患者主動(dòng)參與其中，能明顯提高患者的康復(fù)效果。

1 TRIZ理論

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）是俄文中發(fā)明問(wèn)題解決理論的詞頭，是由前蘇聯(lián)科學(xué)家根里奇·阿奇舒勒及其組建的研究團(tuán)隊(duì)，自1946年開始，花費(fèi)了大量的人力物力，所提出的發(fā)明問(wèn)題解決理論。由于其特有的39個(gè)特征、40個(gè)發(fā)明原理和矛盾矩陣等解決問(wèn)題的方法，被廣泛應(yīng)用于微電子、化學(xué)、生物學(xué)、社會(huì)學(xué)、食品、商業(yè)等領(lǐng)域，為人們遇到的紛繁復(fù)雜、干擾因素較多，且毫無(wú)頭緒的問(wèn)題指明了解決方向。尤其是在萬(wàn)眾創(chuàng)業(yè)、全民創(chuàng)新的時(shí)代，TRIZ理論為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人員開拓了思路，打破思維定式，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人員提供一套系統(tǒng)的、科學(xué)解決問(wèn)題的方案。

2 TRIZ理論的娛樂康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

患者要實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動(dòng)功能、解決生活自理問(wèn)題是最基本需求，而這對(duì)一些重度偏癱的患者來(lái)說(shuō)可能是一種奢求，如何通過(guò)康復(fù)器械來(lái)代替康復(fù)醫(yī)師進(jìn)行重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程，就要對(duì)康復(fù)醫(yī)學(xué)、機(jī)械工程、控制工程進(jìn)行交叉融合。同時(shí)，將TRIZ理論融入康復(fù)器械設(shè)計(jì)中，找到設(shè)計(jì)問(wèn)題的最優(yōu)解［2］，提高患者在康復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的舒適性，進(jìn)一步提高康復(fù)效果。

大部分肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者是一側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)受限，通過(guò)一側(cè)肢體帶動(dòng)另一側(cè)肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，患者能感知被牽引側(cè)的牽引力量過(guò)大時(shí)引起的疼痛及在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)的痙攣等情況，患者會(huì)主動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)側(cè)，安全系數(shù)高，從患者康復(fù)醫(yī)學(xué)運(yùn)動(dòng)的康復(fù)效果、實(shí)現(xiàn)雙側(cè)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、娛樂功能控制的便利等角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出雙側(cè)上肢同步訓(xùn)練的娛樂功能康復(fù)訓(xùn)練器，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

從圖1可以看出，患者同步前推兩側(cè)手柄，兩側(cè)手柄通過(guò)一根桿進(jìn)行連接，從而帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，平移桿后側(cè)的齒條與齒輪嚙合，平移桿向后移動(dòng)，撞擊桿上的彈簧被壓縮，患者松開手柄后，撞擊桿撞擊發(fā)射筒內(nèi)的圓球，圓球彈出，彈簧復(fù)位，球箱內(nèi)的圓球掉落在發(fā)射筒內(nèi)，從而完成一次圓球撞擊發(fā)射，患者在娛樂的同時(shí)，也能進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。

圖1 娛樂康復(fù)訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)原理圖

在實(shí)現(xiàn)一側(cè)上肢帶動(dòng)另一側(cè)上肢前后移動(dòng)時(shí)，在患者松開雙手后，壓縮后的彈簧在恢復(fù)力的作用下，帶動(dòng)撞擊桿撞擊圓球，而此時(shí)手柄也會(huì)跟著撞擊桿向前快速擺動(dòng)，很容易打傷患者的上肢，從而對(duì)患者造成傷害，其安全性差。要解決該問(wèn)題，就要確?；颊咴谒砷_手柄時(shí)，手柄不會(huì)打傷患者。在手柄下端轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)處加裝阻尼控制裝置，當(dāng)患者松開手柄或手柄接近患者上肢位置時(shí)，手柄回彈速度被限制，不至于打傷患者。而在撞擊圓球時(shí)，手柄速度不受限制，加裝阻尼控制裝置后，在不同位置提供不同阻尼，必然會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，而在位置檢測(cè)時(shí)，要提高阻尼控制裝置的加工精度。

從以上分析可以看出，要提高患者在使用過(guò)程中的安全性，即減少物體產(chǎn)生的有害因素，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)防止患者受傷的自動(dòng)化控制，將加裝阻尼控制裝置的娛樂康復(fù)訓(xùn)練器的技術(shù)矛盾問(wèn)題轉(zhuǎn)換為TRIZ語(yǔ)言，使用TRIZ理論中的阿奇舒勒矛盾矩陣來(lái)定義技術(shù)矛盾，從而得到有效解［3］。

在上述方案中，采用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)即可將問(wèn)題轉(zhuǎn)換成需要改善的參數(shù)［4］，即物體產(chǎn)生的有害因素、自動(dòng)化程度，產(chǎn)生惡化的參數(shù)是制造精度、系統(tǒng)的復(fù)雜性，這四個(gè)參數(shù)之間的矛盾產(chǎn)生的矛盾矩陣如表1所示。

表1 娛樂康復(fù)訓(xùn)練器的矛盾矩陣

由表1的矛盾矩陣可知，產(chǎn)生推薦的發(fā)明原理分別為1分割原理、4增加不對(duì)稱性原理、15動(dòng)態(tài)特性原理、17空間維數(shù)變化原理、18機(jī)械振動(dòng)原理、19周期性作用原理、23反饋原理、24借助中介物原理、26復(fù)制原理、28機(jī)械系統(tǒng)替代、34拋棄或再生原理。

TRIZ矛盾矩陣給出了11項(xiàng)推薦原理，為問(wèn)題的有效解提供了方向，本研究采用1分割原理對(duì)該設(shè)計(jì)方案中的問(wèn)題進(jìn)行求解，將滑動(dòng)桿與撞擊桿間的固定連接分割開，采用齒輪、棘齒、偏心輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉤接。在手柄推動(dòng)到前側(cè)時(shí)，滑動(dòng)桿與撞擊桿鉤接結(jié)構(gòu)動(dòng)作，手柄向后拉動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)撞擊桿向后移動(dòng)，手柄停在任何位置松開時(shí)，彈簧在恢復(fù)力的作用下，滑動(dòng)桿與撞擊桿采用鉤接方式進(jìn)行連接，齒輪、棘齒、偏心輪采用鉤接方式進(jìn)行分離，立體效果圖如圖2到圖4所示。

圖2 娛樂康復(fù)訓(xùn)練器模型圖

圖4 齒輪脫離機(jī)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)人口老齡化日趨明顯，腦卒中、腦外傷引起的運(yùn)動(dòng)功能障礙患者數(shù)量在逐年增加，通過(guò)娛樂功能的康復(fù)訓(xùn)練裝置來(lái)提高患者的康復(fù)熱情是一種提高患者自理能力的手段，本研究設(shè)計(jì)出的娛樂擊球雙側(cè)同步上肢康復(fù)訓(xùn)練器，是根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)在患者康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中遇到的問(wèn)題，得出惡化參數(shù)和改善參數(shù)間的矛盾矩陣，利用TRIZ矛盾矩陣得出11個(gè)有效解，根據(jù)推薦原理，最終選擇分割原理，即滑動(dòng)桿與撞擊桿采用鉤接的方式連接，齒輪、棘齒、偏心輪采用鉤接結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分離，從而實(shí)現(xiàn)患者在任何位置松開手柄，手柄都不會(huì)打傷患者，且滿足彈射擊球的設(shè)計(jì)要求。

圖3 偏心輪脫離機(jī)構(gòu)