肖陽,徐秀林
(上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院,上海 200093)
如今脊椎病已經成為中老年人的多發(fā)病,且趨于年輕化。有研究顯示[1],現(xiàn)在由于青少年生活、學習、工作習慣不好,造成了青少年脊柱側彎癥發(fā)病率高達25%[2],我國僅上海脊椎病發(fā)病率高達13.7%[3],國外有些國家脊椎病的發(fā)病率大約在40%左右[4],因此,對于脊椎病的康復治療非常迫切。人體脊柱具有支撐軀干,吸收震蕩,保存脊髓,保護內臟等作用[5]。一個好的脊椎對于人們的身心健康起著至關重要的作用,可是現(xiàn)在人們上班工作大多是坐姿或者站姿,而且坐姿不標準且坐立時間較長,極易導致脊椎關節(jié)錯位壓迫神經、腰椎間盤突出以及附著在脊椎上的器官受到損傷而引起疾病[6-7]??茖W家研究發(fā)現(xiàn),爬行動物由于長期進行爬行運動,所以很少患有脊椎病[8-9]。有大量調查研究表明,爬行訓練能有效治療腰肌勞損、坐骨神經痛、頸椎病等脊柱相關的疾病[10]。但是進行爬行運動時有很多不便,如場地限制。而且對于患有嚴重脊柱病的患者根本不能自主爬行。因此,許多爬行器應運而生,爬行器對場地要求不高,在家里就可以進行爬行運動。
國外對爬行運動訓練設備的研究較早。在70年代中期Tidwell[11]等發(fā)明了身體協(xié)調性訓練裝置,該裝置具備三種爬行模式:雙臂和雙腿同時前后往復運動;同側手臂和腿同時前后往復運動;對側手臂和腿同時前后往復運動,實現(xiàn)訓練兒童或肢體脊柱患者肢體運動的協(xié)調性。1989年,Iams[12]等發(fā)明了爬行運動裝置,Canela[13]等上世紀90年代設計的殘疾兒童運動訓練裝置是一款專為肌肉運動障礙的兒童設計的運動訓練裝置。在我國,有關爬行運動對脊柱的康復臨床作用研究較早,但沒有適合脊柱病康復的被動訓練儀。但也有一部分研究人員設計出了不少爬行訓練機[14-15],雖然功能不夠完善,但也算是一個開端。目前市場上的爬行器產品功能比較單一,且以主動運動的健身器械為主,不利于脊椎病較嚴重的患者使用。針對上述缺陷,本研究設計了一套俯臥式多態(tài)脊柱康復訓練與評估系統(tǒng),為脊柱側彎等脊柱疾病患者提供多種模式的人體俯臥式脊柱康復訓練。
該俯臥式多態(tài)脊柱康復與評估系統(tǒng)主要分為爬行訓練裝置主體、控制主機和控制軟件三部分。訓練裝置主要包括上肢爬行機構、下肢爬行機構、腹部支撐機構、擺尾機構、升高機構等。結構見圖1。
由于需要進行擺尾運動,所以采用上下肢運動機構分體設計。爬行機構分為下肢爬行機構(見圖2)和上肢爬行機構(見圖3)。上肢把手和下肢腿托都是通過滾珠絲杠模組驅動的,被動運動時,上肢把手和下肢腿托通過插銷片連接模組上的滑塊,在滾珠絲杠傳動機構的驅動下做往復運動。為了保證滾珠絲杠的剛度,在其兩側安裝有導桿,并在其上方安裝有支撐板,在把手和腿托下方各安裝有四個尼龍滾輪。主動運動時,插銷片拔起,上肢把手和下肢腿托與滾珠絲杠傳動機構脫離。為了防止把手與腿托左右運動,在支撐板上開一個槽,在槽兩側安裝直線滑軌,并配有小滑塊。把手和腿托固定連接在小滑塊上。為了適應不同身高的患者,腿托后側腳蹬通過插銷固定,插銷拔起可調節(jié)腿托的長度,根據文獻[16]選擇腿托調節(jié)范圍為400~600 mm。被動運動時,在滾珠絲杠的帶動下,同側上下肢運動方向相反,左右兩肢的運動方向也相反,如此協(xié)調往復運動,模擬爬行運動。
圖1訓練裝置整體結構
1.腹部支撐機構 2.上肢爬行機構 3.下肢爬行機構 4.擺尾機構 5.升高機構
Fig1Overallstructureofthetrainingdevice
圖2 下肢爬行機構
圖3 上肢爬行機構
擺尾運動是此訓練系統(tǒng)的一大亮點,此功能可以幫助不能自主進行扭腰運動的患者進行較小幅度的扭腰運動。這樣可以刺激到相關神經和肌肉,從而促進患者大腦皮質重組恢復扭腰的能力。擺尾機構是通過一個曲柄滑塊機構來帶動下肢支撐板繞轉動軸左右擺動,見圖4。曲柄滑塊機構安裝在下肢支撐板的中間位置,轉動軸在支撐板前面,支撐板后面通過支撐臺來支撐,支撐臺上安裝有牛眼以減小左右擺動時的摩擦力。運動時,患者跪在腿托上,俯臥在腹部支撐上,雙手抓住把手保持穩(wěn)定,曲柄滑塊機構帶動下肢支撐板擺動從而帶動患者進行扭腰運動,擺動角度為-12°~12°,此角度不宜過大以免造成運動損傷。
圖4擺尾機構
1.轉動軸 2.牛眼 3.曲柄滑塊機構 4.支撐臺
Fig4Waggingtailinstitution
結構中創(chuàng)新引入腹部支撐及調節(jié)機構,實現(xiàn)在不同程度減重下進行多種模式的訓練,適合脊柱病較嚴重的患者進行初期康復訓練。腹部支撐位置可以前后、上下調節(jié),以適應不同要求的患者。此機構由三部分組成前后調節(jié)機構、高度調節(jié)機構、托腹板,見圖5(a)。前后調節(jié)機構是一個直線滑軌與滑塊的配合,滑軌上開有槽口,滑塊側邊安裝有固定夾,調節(jié)時按開夾子,調好后松開夾子,這樣夾子就會夾緊在滑軌的槽口里了,其放大結構見圖5(b)。高度調節(jié)機構是安裝在滑塊上面的,此機構是齒輪齒條配合。拔起插銷,擰動齒輪,齒條可以上下運動以調節(jié)合適的高度,調好后放下插銷,機構就固定住了。托腹板是通過連接塊固定在齒條頂端的,其與連接塊之間安裝有壓力傳感器,這樣就可以測出減重程度,有利于醫(yī)生對患者康復狀況進行評估。高度調節(jié)范圍為295~415 mm。
攀高爬行、俯式爬行是兩種比較特殊的脊柱康復訓練模式,且強度比較大不太適合脊椎病嚴重的患者。為了實現(xiàn)這兩種運動模式,在系統(tǒng)中加入了升高機構。在側梁的兩側各安裝了一個升高機構。升高機構以滾珠絲杠模組為傳動機構,通過柱形滑軌與側梁上固定的直線滑軌機構相連,滾珠絲杠由伺服電機帶動。當需要進行攀高爬行時,前側的升高機構將運動平臺前側整體抬高,與地面最大傾角為20°,后側升高機構保持不動,見圖6。進行俯式爬行時,前、后升高機構運動情況對調。
圖5(a) 腹部支撐機構;圖5(b)鎖定機構
Fig5(a)Abdominalsupportmechanism;Fig5(b)Lockingmechanism
圖6升高機構
1.側梁 2.直線滑軌機構 3.滾珠絲杠模組 4.柱形滑軌
Fig6Raisingmechanism
由于沒有加工實物,所以下面通過仿真軟件對訓練裝置的主要運動進行仿真,從而得到一些運動數據,方便控制電機的選擇,也有利于對訓練裝置進行結構的優(yōu)化設計。
通過對已有爬行機進行測繪,設定上下肢運動機構可運動的最大距離分別為545 mm和450 mm。正常人行走的速度為1 m/s,人在跪姿時腿長相對縮短了一半,所以爬行速度取0.5 m/s,由于運動時左右相對運動,所以正常單邊速度為0.25 m/s,由于是被動運動而且患者行動能力差,所以速度不宜過快以免造成運動損傷,綜合考慮,最高被動運動速度定為0.2 m/s,患者最高重量按100 kg算,四肢分別承重25 kg,以上肢運動為例,手把重量為2 kg,導軌摩擦系數為u=0.1,患者在被動運動時,四肢與支撐板的角度會不斷變化,會產生軸向負載,軸向最大負載按患者四肢與支撐板成45°角時計算。
F=250/√2+(250/√2+20)×0.1=196 N取200 N進行計算。
將上肢運動機構導入SolidWorks Motion模塊進行運動仿真。仿真結果見圖7(a)、7(b)。
圖7(a) 上下肢運動機構馬達角速度
圖7(b) 上下肢運動機構馬達轉矩
Fig7(b)Themotortorqueofupperandlowerlimbsmovingmechanism
此機構主要用于構造運動角度,實現(xiàn)俯式爬行和攀高爬行。由于運動模式單一,所以選擇普通電機即可。將升高機構導入SolidWorks Motion模塊進行分析。在絲杠上添加旋轉馬達,轉速見圖8(a),在兩個支撐桿上添加豎直向下的力F=1 000 N,經仿真得出旋轉馬達力矩變化見圖8(b)。由圖可知運動速度較慢,但是所需轉矩還是很大的,為以后電機選型提供了參考。
此機構電機轉速不高但對于轉矩要求比較高。仿真時,在曲柄上添加旋轉馬達M,馬達轉速恒定為12 RPM,根據運動平臺和人體下肢的總重量500 N,滾動摩擦系數按u=0.05來算,得出摩擦阻力F=25 N。仿真算出馬達力矩見圖9,馬達最大力矩為6.813 Nm,此數值對于一般步進電機來說還是很大的,所以在保證電機尺寸合適的基礎上,又要滿足大力矩、慢轉速,還是較難選擇的。因此采用減速增力裝置與電機配合帶動擺尾機構運動。
分析整個運動系統(tǒng)的受力情況,升高機構為主要受力機構,其中支撐桿和導桿為主要受力部件。升高機構承擔了患者及上、下肢運動機構的全部重量,根據國民體質監(jiān)測公報以及人機工程學相關數據顯示[15],我國成年男性平均體重為67.8 kg,成年女性平均體重為59.6 kg,加上上下肢機構及側梁的重量,考慮安全性,將分析重量設計為400 kg。由于支撐桿有4個,所以平均每個承重100 kg。對以上部件采用ANSYS Workbench進行應力、變形量的分析,從而判斷其是否滿足強度和剛度要求。
圖8(a) 升高機構馬達角速度
圖8(b) 升高機構馬達轉矩
圖9 擺尾機構馬達轉矩
由于受力較大,選擇普通碳鋼,其各種屬性見表1。
在裝配體中,支撐桿的下端與底座鉸接在一起,中間部分與滾珠絲杠模組通過套筒連在一起,所以選擇簡單支撐約束支撐桿的下端,約束掉支撐桿的所有線性位移自由度,但旋轉自由度是自由的。中間部分采用圓柱面約束,選擇約束掉面徑向、切向位移。支撐桿上端與側梁是鉸接在一起的,受力方向豎直向下,給其上端施加集中力1 000 N,選擇通過分量定義此力,方便控制力的方向。本零件的分析結果選取典型的等效應力和變形量色帶表達圖,支撐桿的應力圖見圖10(a),變形量色帶圖見圖10(b)。由圖可知,應力、變形量最大點都為鉸接處,且最大應力為5.129 MPa,遠小于普通碳鋼的屈服強度220.594 MPa,所以滿足強度要求。最大變形量為0.00102 mm,滿足剛度要求。計算結果表明支撐桿滿足使用要求。
表1 普通碳鋼的屬性
圖10(a)支撐桿應力分析圖10(b)支撐桿變形量分析
Fig10(a)StressanalysisofthesupportbarFig10(b)Analysisoftheamountofdeformationofthesupportrods
由于受力較大,對材料剛度要求較高,所以選擇軸承鋼GCr15,其各種屬性見表2。
表2 軸承鋼GCr15的屬性
在裝配體中,導桿的兩端是固定在支撐臺上的,所以導桿的兩端采用固定約束。由于當滑塊運動到導桿中間時,其形變最大,經過計算此時導桿所承受的力為1804 N,方向豎直向下,所以添加集中力1804 N在導桿中間,選擇通過分量定義此力,方便控制力的方向。導桿的應力見圖11(a),變形量色帶圖見圖11(b)。由圖11(a)可知,應力最大點都為兩端固定處,且最大應力為31.33 MPa,遠小于普通碳鋼的屈服強度518.42 MPa,所以滿足強度要求。由圖11(b)可知,導桿中間的變形量最大,最大變形量為0.11 mm,滿足剛度要求。計算結果表明支撐桿能滿足使用要求。
圖11(a)導桿應力分析圖11(b)導桿應變分析
Fig11(a)StressanalysisofguiderodFig11(b)Strainanalysisofguiderod
本設計是基于爬行運動的脊柱康復訓練儀,其最大優(yōu)點就是運動模式多樣化。在被動運動模式下,可以實現(xiàn)跪撐爬行、攀高爬行、俯式爬行、扭腰擺動;在主動運動模式下,可以實現(xiàn)跪撐爬行。該設計還有運動數據反饋的功能,方便醫(yī)生進行評估。不過由于功能多樣,所以結構比較復雜,導致訓練儀整體偏重,不利于搬運。在以后的研究中可以精簡結構,而且隨著材料科學的發(fā)展,可以選擇更輕便的材料,從而減輕訓練儀整體的重量。還有該設計主動運動模式過于單一,以后可以加入抗阻模式,從而可以滿足更多患者康復后期的要求,通過不同阻力的加入,讓主動運動變的更加具有挑戰(zhàn)性。