于開(kāi)迪　尹樂(lè)

摘 要：為滿足腦癱患者和老年人的康復(fù)鍛煉需要，通過(guò)對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)特性分析，設(shè)計(jì)了一種能夠使殘疾人腰部、腿部、手部進(jìn)行康復(fù)治療的運(yùn)動(dòng)椅。根據(jù)康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅的功能要求和人機(jī)工程學(xué)原理，借助Solidworks軟件建立了各部分的三維模型并進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)裝配。康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅功能多樣，適用于不同人群進(jìn)行康復(fù)鍛煉。

關(guān)鍵詞：康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅 設(shè)計(jì) 建模 肢體運(yùn)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（b）-0043-03

作為下肢殘障者和老年人的代步工具，輪椅的種類(lèi)較少、功能單一。普通輪椅只具有代步功能，使用者肢體得不到有效運(yùn)動(dòng)與鍛煉，對(duì)肢體康復(fù)鍛煉很不利?？祻?fù)輪椅種類(lèi)較多，但具有代步和康復(fù)兩用功能的輪椅種類(lèi)較少。基于人機(jī)工程學(xué)，設(shè)計(jì)了一款代步/康復(fù)兩用輪椅，以滿足肢體殘障者和老年人使用輪椅進(jìn)行康復(fù)鍛煉的需要。利用Solidworks軟件對(duì)康復(fù)輪椅進(jìn)行三維建模和結(jié)構(gòu)裝配，優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù)，從而有效降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 整體設(shè)計(jì)分析

四肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅的運(yùn)動(dòng)必須符合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本規(guī)律，以保證人體四肢正確的運(yùn)動(dòng)軌跡。坐在四肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅上，人的腿部動(dòng)作主要是類(lèi)似走路時(shí)雙腿周期性的伸腿與收腿，使膝關(guān)節(jié)和兩側(cè)的肌肉得到活動(dòng)和伸展，促進(jìn)腿部行走功能的恢復(fù)。四肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)升降臂運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)患者進(jìn)行蹲起運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人體腰部和下肢骨骼的肌肉康復(fù)鍛煉。利用彈簧的伸縮設(shè)計(jì)的手指康復(fù)儀器，帶動(dòng)患者手指有規(guī)律性地伸-握動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)人體手指肌肉的康復(fù)訓(xùn)練。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

康復(fù)輪椅采用四輪結(jié)構(gòu)，后輪為主動(dòng)輪，前輪為從動(dòng)輪。整車(chē)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、座椅機(jī)構(gòu)、防護(hù)裝置、肢體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和車(chē)架構(gòu)成?？祻?fù)輪椅各部分結(jié)構(gòu)根據(jù)其功能要求和人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，借助Solidworks軟件建立了各部分的三維模型并進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)裝配（如圖1）。

2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括后輪、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2.2.1 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)人的站立和坐兩種姿勢(shì)的訓(xùn)練，利用齒輪傳動(dòng)的特性設(shè)計(jì)出四肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅的升降臂結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)、錐齒輪與普通圓柱齒輪組合的設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

蝸輪與旋轉(zhuǎn)把手固聯(lián)，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)把手后，由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)到兩側(cè)錐齒輪組中，錐齒輪帶動(dòng)繞線軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)康復(fù)椅兩側(cè)升降桿上下運(yùn)作，升降桿上部橫桿支撐人體左、右腋部，從而協(xié)助人體完成蹲起動(dòng)作。支撐桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)距離可以通過(guò)調(diào)節(jié)行程插銷(xiāo)位置來(lái)控制從而滿足不同患者的身高要求。蝸輪蝸桿傳動(dòng)產(chǎn)生噪音小，單級(jí)傳動(dòng)比大，因此，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)扶梯、電梯、移動(dòng)人行道以及近年來(lái)防止公害的機(jī)器，都使用蝸輪蝸桿減速器。蝸桿軸和蝸輪軸的布置，有時(shí)可做到既能節(jié)約原動(dòng)機(jī)和從動(dòng)機(jī)的安裝面積又方便和合理。蝸桿導(dǎo)程角小于摩擦角時(shí)，還可以設(shè)計(jì)自鎖的蝸桿傳動(dòng)裝置。利用此性質(zhì)可保證使用者的安全問(wèn)題。

2.2.2 鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

鏈傳動(dòng)由主動(dòng)軸、前鏈輪、鏈、后鏈輪和從動(dòng)軸構(gòu)成。通過(guò)鏈傳動(dòng)將主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)傳遞給后鏈輪，實(shí)現(xiàn)控制四肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅前后運(yùn)動(dòng)。

2.3 旋轉(zhuǎn)座椅

為了使用者更加便捷地進(jìn)入四肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅進(jìn)行康復(fù)治療，同時(shí)本著簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的原則，四肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅座椅機(jī)構(gòu)由帶凸臺(tái)上板面、帶凹槽下板面、軸承組成。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，座椅結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)符合人體坐姿尺寸，主要包括座椅高、座椅寬、座椅深、扶手高、腳踏板到座椅面的高度等。根據(jù)GB 10000-88《中國(guó)成年人人體尺寸》給出的人體尺寸數(shù)據(jù)和舒適度的要求，座椅結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)如下：座椅高主要與小腿長(zhǎng)和足高尺寸相關(guān)，考慮使用者的舒適性，設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的，尺寸為340～450 mm；座椅寬是座面左右距離，主要與坐姿臀寬和臀寬尺寸相關(guān)，同時(shí)考慮衣服余量，尺寸為450 mm；座椅深應(yīng)能使臀部得到完全支撐，與大腿長(zhǎng)尺寸相關(guān)，考慮余量，尺寸為450 mm；扶手高主要與坐姿肘高尺寸相關(guān)，設(shè)計(jì)尺寸為285 mm。

2.4 防護(hù)裝置

防護(hù)裝置主要由兩側(cè)伸縮護(hù)欄、自鎖靠背、腳步護(hù)踝板構(gòu)成。

如圖3伸縮護(hù)欄主要由兩根過(guò)渡配合的方管和V型彈片組成，將V型彈片套入細(xì)管中，并將細(xì)管插入粗管中，利用通孔位置不同，即可實(shí)現(xiàn)定位功能。自鎖靠背由靠背與卡棍組成，當(dāng)靠背處于工作狀態(tài)時(shí)，卡棍在重力作用下自然伸出，下部抵在椅面，從而將靠背自鎖，保證患者安全。同時(shí)卡棍的長(zhǎng)度可調(diào)，從而可調(diào)整靠背角度，讓使用者在使用過(guò)程中安全、舒適。

腳步護(hù)踝板由護(hù)踝板和踏板構(gòu)成，如圖4。在模擬人走路動(dòng)作時(shí)，將患者腳步抵靠在護(hù)踝板上，避免使用者剛開(kāi)始使用康復(fù)椅，不習(xí)慣康復(fù)椅運(yùn)動(dòng)步伐規(guī)律，而撞擊在兩側(cè)支撐桿，造成損傷。

2.5 肢體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

肢體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示，由踏板、凸輪、連桿構(gòu)成。轉(zhuǎn)動(dòng)輪椅把手，由鏈傳動(dòng)帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)下肢連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使腳踏板有規(guī)律地前后、起伏運(yùn)動(dòng)，從而模仿走路動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動(dòng)，并且可調(diào)節(jié)凸輪位置，更改運(yùn)動(dòng)幅度。

3 四肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅創(chuàng)新點(diǎn)

（1）利用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性設(shè)計(jì)出符合產(chǎn)品要求的升降臂結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)人的站立和坐立兩種姿勢(shì)的調(diào)整，模仿蹲起動(dòng)作。

（2）在踏板上裝有壓力傳感器，可感知患者腿部所承受的壓力，防止壓力過(guò)大導(dǎo)致腿部受力大而產(chǎn)生損傷。

（3）利用彈簧的特性設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)康復(fù)手指功能的產(chǎn)品。

（4）采用旋轉(zhuǎn)座椅與伸縮護(hù)欄、自鎖靠背，使四肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅安全可靠并且方便患者進(jìn)入康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅。

（5）采用可調(diào)節(jié)連桿-凸輪機(jī)構(gòu)模擬人走路動(dòng)作。

4 結(jié)語(yǔ)

康復(fù)運(yùn)動(dòng)椅的設(shè)計(jì)符合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)基本規(guī)律。通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)建模裝配，各零部件之間不存在干涉情況，機(jī)械運(yùn)動(dòng)符合設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了代步和康復(fù)鍛煉的雙重作用。

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