基于有限元技術的康復訓練設備設計與分析

何亞峰，張光南，劉春節，張文全，徐旭

(1. 常州工學院 機電工程學院，江蘇 常州 213002； 2. 寶雞文理學院 計算機科學系，陜西 寶雞 721000)

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基于有限元技術的康復訓練設備設計與分析

何亞峰1，張光南2，劉春節1，張文全1，徐旭1

(1. 常州工學院 機電工程學院，江蘇 常州 213002； 2. 寶雞文理學院 計算機科學系，陜西 寶雞 721000)

摘要：隨著我國老齡化的加劇,偏癱患者呈現上升趨勢,因而開發康復訓練設備對于患者的康復和提高生活質量有著重要的意義。根據患者訓練特點開發了結構合理安全的新型康復訓練設備,患者可進行柔性、遞進式訓練。利用Abaqus有限元數值平臺對開發的康復訓練設備結構強度和剛度進行計算和校核，其結果可為設計康復訓練設計提供可靠的理論依據。

關鍵詞：康復訓練設備；設計；結構強度

0引言

隨著我國老齡化時代的到來，在老齡人群中有大量的腦血管疾病或神經系統疾病患者，這類患者多數伴有偏癱癥狀。近年來由于心腦血管疾病使中老年患者出現偏癱的人數不斷增加，而且在年齡上呈現年輕化趨勢。同時由于交通運輸工具的迅速增長，因交通事故而造成神經損傷或者肢體損傷的人數也越來越多，醫學理論和臨床醫學證明，偏癱患者除了早期的手術治療和必要的藥物治療外，正確的科學的康復訓練對于偏癱患者的恢復和提高起到了非常重要的作用，使患者可以重新豎起對美好生活的向往。在傳統康復運動訓練治療過程中，患者通常需要借助簡單器具或者由治療師輔助，完成旨在維持關節活動度、增強肌力、肌肉耐力、肌肉協調能力、平衡功能、步行功能、心肺功能的單項或者綜合項目運動訓練。傳統康復治療方法功能有限，而且治療師的勞動強度很大，難以保證訓練的持續性和穩定性，治療效果還受到治療師水平的影響。這些不利因素對肢體運動訓練的影響尤為明顯。因而開發人性化、效果化的康復訓練設備對于發展我國的康復事業具有舉足輕重的作用。近年來國內外也相繼開發出一些康復訓練設備，如大連理工大學的鄭志超對步行康復訓練器及其控制策略進行了研究，開發了步行康復訓練器及評價方法[1]，程方等人進行了減重步行康復訓練機器人研究[2]，劉鵬輝等人進行了主被動康復訓練機的設計與分析[3]。然而由于偏癱患者恢復鍛煉使用要求特殊、鍛煉模式多樣化等特點，患者往往自身力量不足進行鍛煉不能更好地刺激肌肉細胞的有效恢復?；蛞蛴昧ν蝗蛔兓斐蓪ι眢w的不良后果。基于此本文設計了一臺康復訓練設備，患者可以進行柔性、力量遞進式的主動或被動康復訓練，可對患者的恢復具有良好的效果。為了使設計結構更加安全，利用ABAQUS有限元數值平臺對開發的康復訓練設備強度和剛度進行了力學計算，符合安全要求,體現人性化特點。設計康復訓練設備對于發展康復事業具有重要的意義，具有一定的工程應用價值。

1康復訓練設備設計

根據偏癱患者訓練模式特點和使用要求,設計的康復訓練設備體現了人性化特色和安全性,如圖1所示,其結構主要由座椅升降裝置、手部訓練組件、電動機驅動機構、彈簧阻尼組件、訓練支架組件等構成。其中座椅升降裝置由座椅、電動推桿、導柱組成。手部訓練組件由繩子、拉環、滑輪組組成。電動機驅動機構由制動電機、絲杠、螺母、導軌、滑塊、連接桿組成。彈簧阻尼組件由彈簧、連接板、導向柱、導向滑塊組成。訓練支架組件由直橢圓管、弧形橢圓管組成。

圖1　康復訓練設備

由于偏癱患者年齡、性別和手部肌肉損傷程度不同，在訓練中手部力量也不盡相同，國內外很多康復設備往往采用拉伸重物或加砝碼的方式進行恢復鍛煉。這些方式由于拉伸力固定或分段增加，患者不能得到充分的力學訓練。為了使偏癱患者手部肌肉得到持續的刺激訓練，達到良好的訓練效果，要求其拉伸的阻尼力緩慢增加到最大值，以適應患者訓練的需求。醫學觀察效果認為柔性、遞進式訓練對于治療偏癱患者肌肉恢復起到了良好的作用。當患者無法自己運動時，電動機驅動機構動作從而帶動患者進行手部活動，從而緩解缺乏運動引起的不良后果，如關節僵硬、肌肉萎縮以及攣縮、骨質疏松等。

本設計的康復訓練設備基本工作原理為偏癱患者手部拉動拉環用力時通過繩子和滑輪組帶動彈簧沿導向柱緩慢上升，彈簧阻尼力逐步增大。此時電動機驅動機構帶動連接桿運動同時進行。當偏癱患者手部拉動繩子的速度大于電動機驅動機構帶動連接桿的速度時，偏癱患者手部用自身力量完成主動康復訓練。當偏癱患者手部拉動繩子的速度小于電動機驅動機構帶動連接桿的速度時，電動機驅動機構的連接桿帶動繩子上的固定套克服彈簧力運動，此時偏癱患者只需要用很小或拉著拉環完成被動訓練。如果訓練中突然出現電動機斷電的意外情況，此時電動機的制動將起作用，保證偏癱患者訓練的安全性。設計的康復訓練設備將能夠對偏癱患者的身體恢復起到重要的作用。

2康復訓練設備的力學計算

2.1　ABAQUS數值模擬平臺

ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。 ABAQUS 包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質材料，作為通用的模擬工具， ABAQUS能解決大量結構(應力 / 位移)問題。

2.2　康復訓練設備有限元模型

康復訓練設備由于其使用對象的特殊性和安全性，對其結構強度和剛度計算是非常重要的。本文通過在Pro/e下建立康復訓練設備的三維整體模型后轉換為*.x_t格式導入到ABAQUS數值模擬平臺中?？祻陀柧氃O備的支撐組件均采用45鋼材料，密度7.8×10-9t/mm3，彈性模量2.05×105MPa，泊松比0.3。拉繩材料采用尼龍，密度3.8×10-9t/mm3，彈性模量1.15×105MPa，泊松比0.28?？紤]到康復設備實際使用要求材料模型選取線彈性模型，劃分后的主康復設備有限元模型如圖2所示。

圖2　康復訓練設備的有限元模型

2.3　康復訓練設備接觸及邊界處理

根據實際工況限制了訓練支架組件與地面接觸的x、y、z方向平移自由度。載荷施加為座椅面上按照100kg力施加，手拉伸力按照最大5kg力施加。各組件之間接觸按照Tie類型處理。

圖3　康復訓練設備載荷處理

3康復訓練設備的力學分析結果

3.1　康復訓練設備MISE分布

圖4為偏癱患者以最大載荷使用康復訓練設備時的MISE分布。從圖4可以看出偏癱患者手部訓練時設計的康復訓練設備機械結構MISE分布不均勻，最大MISE出現在訓練支架組件弧形橢圓管與垂直橢圓管連接的地方，最大MISE值為43.16 MPa，最大MISE值沒有超過45鋼材料的屈服極限，因而設計的康復訓練設備結構是安全的，符合偏癱患者使用要求。

圖4　康復訓練設備的MISE分布

3.2　康復訓練設備變形分布

圖5為偏癱患者以最大載荷使用康復訓練設備時的變形分布，從圖中可以看出最大變形值為1.304mm,最大變形值出現在手部拉環位置，變形分布不均勻，康復訓練設備的訓練支架組件上的變形最大值為0.5435mm，其值也說明了康復訓練設備在使用過程中剛度是足夠的，符合安全要求。

4結論

1) ABAQUS數值模擬平臺為康復訓練設備力學計算提供了有利的工具，分析過程貼近實際；

圖5　康復訓練設備的變形分布

2) 本文分析結果可為康復訓練設備設計提供可靠的理論依據；

3) 本設計的康復訓練設備具有柔性、遞進式訓練特點，符合偏癱患者訓練要求，對偏癱患者身體恢復起到重要的作用，具有一定的工程價值。

參考文獻:

[1] 鄭志超. 步行康復訓練器及其控制策略研究[D]. 大連：大連理工大學，2012.

[2] 程方，王人成，賈曉紅,等. 減重步行康復訓練機器人研究進展[J]. 中國康復醫學雜志，2008(04).

[3] 劉鵬輝，張廣南. 主被動康復訓練機的設計與分析[J]. 機械制造與自動化，2013，42(4)：56-58.

Design and Analysis of Rehabilitation Training Equipment Based on Finite Element Technology

HE Ya-feng1, ZHANG Guang-nan2,GAN Wei-min1, LIU Chun-jie1, ZHANG Wen-quan1, XU Xu1

(1. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002,China;

2. Department of Computer Science, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721000, china)

Abstract:As the old age people in our country grow in intensity, hemiplegic patients present a rising trend, to develop rehabilitation training equipment for the rehabilitation of patients and improve the quality of their life is of momentous significance. According to patient training feature， this paper develops the new reasonable and safe rehabilitation training equipment which is used to do flexible and progressive training for patients. At the same time, its strength and stiffness is calculated and verified by using ABAQUS finite element simulation platform, thus a theoretical reference is given to rehabilitation training designers.

Keywords:rehabilitation training equipment；ABAQUS; structure strength

收稿日期：2014-11-11

中圖分類號：TH122

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0098-03

作者簡介：何亞峰(1975-)，男，陜西寶雞人，講師，博士研究生，研究方向：有限元及現代加工技術。

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201411055001)；常州工學院自然科學基金(YN1113)。