基于TRIZ理論的上肢康復訓練器設計

楊章振 李志強

（安陽市翔宇醫療設備有限責任公司，河南 安陽 455000）

我國老齡化社會問題已經顯現，腦卒中而導致的偏癱問題越來越多，我國是腦卒中病的高發地區之一，且還在逐年迅速增長，年輕化趨勢愈發明顯，很多患者由于得不到應有的醫療救治出現偏癱、生活不能自理甚至死亡。

因此，需要對患者及早干預，提高患病后的生活質量，在發達國家通過康復訓練，促進患者腦神經功能的重塑代償，有效防止患者機體廢用性發生。而目前的康復訓練治療通常在醫院、社區衛生服務中心等醫療機構，由專業康復醫師對患者推拿、按摩等方式一對一地進行康復治療，康復效果因康復醫師的專業水平、情緒波動、疲勞等因素而存在差異，并且很多患者家庭難以承受長期治療的費用，在一些大型醫療機構通常配備有上肢康復訓練器，由于我國康復事業起步較晚，導致目前的上肢康復訓練器多數采用進口設備，患者每次康復費用較高，而提高我國康復醫療器械的整體水平，從康復醫療器械的自動化水平、舒適度、經濟成本等方面趕超發達國家，康復醫療器械領域還需要很大程度上的不斷創新［1］。

1 TRIZ理論

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）是俄文中發明問題解決理論的詞頭。它充分揭示出創造發明的內在規律和原理，快速確認解決在系統中存在的矛盾。該理論是由前蘇聯根里奇·阿奇舒勒及其領導的一批研究人員，自1946年開始，在分析研究世界各國250萬件專利的基礎上，研究與歸納人類在進行發明創造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理與法則后建立的。運用TRIZ 理論，可以大大加快設計人員創新的過程，提高創新的質量。

2 TRIZ理論的上肢康復訓練器設計

上肢是人體最復雜的器官之一，為實現手掌運動的靈活性，人類進化出多自由度的上肢，上肢連接關節分為：肩關節、肘關節、腕關節、手指關節［2］，每個關節都包含多個自由度，如表1所示：

表1 上肢各關節自由度

從患者舒適度、康復醫學理論、上肢康復訓練器復雜程度等方面綜合考慮，以能夠充分鍛煉患者手部至肩關節各部分神經、肌肉為出發點，設計出實現肩關節外展/內斂、肩關節屈/伸、前臂自然下垂時肘關節屈/伸、上臂前擺時肘關節屈/伸、前臂內旋/外旋的五自由度的上肢康復訓練器，其機構原理如圖1所示，每個自由度運動的角度范圍如表2所示［3］。

圖1 上肢機構原理簡圖

表2 上肢各關節運動范圍

該五自由度上肢康復訓練器每個關節處可安裝驅動電機，采用動力輸入方式，用于不能自主運動患者的被動運動，或者不采用外界動力驅動，無動力輸入方式用于能自主運動的患者進行自主康復訓練，上肢康復訓練器的機械結構是有重量的，肩關節屈/伸的過程中，康復訓練器的機械結構重心動態變化，驅動電機或者患者需要克服上肢康復訓練器機械結構重量而引起的變化，這樣導致控制并檢測機械結構轉動角度，計算克服機械結構重量而使電機扭矩動態輸出，控制系統較為復雜。如果采用無動力輸入方式，患者肩關節屈/伸的過程中阻力波動較大，大臂前擺至水平位置時阻力最大，而下擺時，阻力為負值，此時會導致康復訓練器的重量使患者上肢加速下擺，容易對患者上肢造成傷害、可靠性差。

綜合以上分析，采用有動力、無動力輸入方式的上肢康復訓練器，如果加裝康復訓練器的重量補償裝置，通常采用計算機檢測上臂的擺動位置，計算出需要補償重量而增加或減小驅動電機的輸出扭矩，系統的復雜程度高，驅動電機浪費大量功耗，故障率高，可靠性差，電機故障時可能導致患者受傷，設備損毀，而如果不采用重量補償裝置，系統結構較為簡單，損毀上肢康復訓練器或使患者受傷害，所以康復訓練器增加重量補償裝置是非常必要的。將安裝重量補償裝置的康復訓練器技術矛盾問題轉換為TRIZ語言，使用TRIZ理論中的阿奇舒勒矛盾矩陣，定義技術矛盾，從中得到有效解。

在上述方案中，采用39個通用技術參數就可表示成：需要改善的參數是控制和測量的復雜性、運動物體的能量消耗與產生的惡化參數是物體產生的有害因素、可靠性四者之間的矛盾；產生的矛盾矩陣如表3所示。

表3 五自由度上肢康復訓練器的矛盾矩陣

根據表3 的矛盾矩陣，產生推薦的發明原理是：2 抽取原理、8 重量補償原理、11 事先防范原理、19 周期性作用原理、21 減少有害作用時間的原理、27 廉價替代品原理、28機械系統替代、35物理或化學參數改變原理、38強氧化劑原理。

TRIZ 矛盾矩陣中給出了9 項推薦原理，為問題的有效解提供了方向，采用27廉價替代品原理對該設計方案中的問題進行求解，如何通過簡單、廉價的方式對機械結構重量進行補償，上肢康復訓練器前臂上擺至水平位置時，采用一個彈簧拉住機械機構，患者前臂下擺時，彈簧被拉伸，使康復訓練器不會加速下擺，而當患者前臂上擺時，彈簧被放松，同時機械機構重心也在后移，上臂阻力基本不變化，利用三維軟件渲染的五自由度上肢康復訓練器三維模型圖如圖2所示。

圖2 五自由度上肢康復訓練器模型圖

為提高五自由度上肢康復訓練器的安全性，需要對主要承重零部件進行強度校核，上肢康復訓練器后端固定位置要承受整個機械臂的重量，患者手臂質量平均3.5kg［4］，機械臂重量3kg，手臂長0.75m，為安全起見，以手臂中點為質量中心，患者大臂最大上下擺動每分鐘10次，每次轉動范圍2/3π，加速時間0.2s。

式中：T負—機械臂與患者手臂靜力矩；T慣—機械臂與患者手臂慣性矩；T總—機械臂與患者手臂總力矩；J總—機械臂與患者手臂的轉動慣量；J機—機械臂的轉動慣量；J臂——患者手臂轉動慣量。

總的慣性扭矩由大臂懸梁承受，大臂懸梁兩側中心孔距0.1m，所以每側中心孔承受256N的載荷。對大臂懸梁進行有限元分析，設定大臂懸梁材料為合金鋼，對大臂懸梁一側孔添加固定約束，另一側孔添加徑向載荷256N，網格化分析，節總數14 632，單元總數8 975，圖3為網格化的有限元分析模型。

分析出大臂懸梁受極限載荷時，最大應力為14.3MPa，屈服強度為620.4MPa，所以該大臂懸梁不會因強度不足而發生斷裂變形損壞。

圖3 大臂懸梁網格化的有限元分析模型

圖4 大臂懸梁的應力分析圖

3 結語

本文闡述了我國腦卒中患者呈逐年增加的趨勢，康復訓練是患者提高生活質量的一種重要途徑，上肢是人體最復雜的器官之一，具有多個自由度，從患者康復效果、舒適度等反面綜合考慮，設計五自由度上肢康復訓練器，分析大臂屈/伸過程中設置重量補償裝置存在的技術問題，轉化為TRIZ 語言，利用矛盾矩陣得出了多個有效解，根據推薦的廉價替代品原理，采用彈簧裝置實現了大臂屈/伸過程中的重量補償，結構簡單實用，并使用有限元分析軟件對承重零件進行了校核。

［1］張輝.六自由度外骨骼式康復訓練機器人設計［D］.上海：東華大學，2014.

［2］趙峰.上肢康復輔助訓練機器人的設計［D］.西安：西安電子科技大學，2014.

［3］曹電鋒，楊啟志，莊佳奇，等.一種六自由度上肢康復機器人的結構設計及運動學分析［J］.工程設計學報，2013，20（4）：338-343.

［4］車仁煒，呂廣明，孫立寧.五自由度康復機械手臂的設計［J］.機械設計，2005（4）：18-21.