腦癱兒四肢康復訓練椅結(jié)構(gòu)設計分析

朱其瑞，張玉峰，李養(yǎng)鑫，吳東軍，畢帥男，周睿杰，尤賽賽

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

腦性癱瘓(簡稱腦癱)是小兒時期常見的中樞神經(jīng)障礙綜合癥.病變部位在腦、肋及四肢，主要表現(xiàn)為運動障礙和姿勢異常[1].據(jù)世界衛(wèi)生組織權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計分析：全球腦癱患兒超過1 000萬，兒童腦癱發(fā)病率達2.7‰，而且我國現(xiàn)有腦癱患兒500多萬，發(fā)病率為 1.2%～2.7%，每年新增腦癱患兒3～5萬[2].相比而言，康復訓練較為保守可靠，故而康復訓練成為腦癱兒康復治療的最主要的手段之一[3,4].

本文提出了一套融合多種康復訓煉于一體的設計方案，主要設計了輔助站立、輔助行走、輔助進食等功能模塊.同時，為提高機構(gòu)運動的可靠性，避免機構(gòu)工作出現(xiàn)共振等現(xiàn)象危害患者安全，本文利用Solidworks建立的簡化模型，通過理論分析確定各結(jié)構(gòu)設計參數(shù)，指導結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，提高產(chǎn)品的安全特性.

1　康復醫(yī)療椅總體設計

本設計充分考慮腦癱兒的實際康復需求，設計了集輔助站立機構(gòu)、輔助行走機構(gòu)、輔助進食機構(gòu)為一體的多功能腦癱兒四肢康復醫(yī)療椅.本產(chǎn)品具有以下特點：整體尺寸適中，結(jié)構(gòu)緊湊，便于移動，適合家庭使用；功能齊全、模塊化設計，可以根據(jù)患兒的不同需求選擇不同的模塊進行組裝；操作簡單，易于控制，具有自動化功能.

本設計是一款模擬人的站立、行走、進食等動作，輔助腦癱兒進行四肢康復性鍛煉的新型康復訓練機械，包括輔助站立訓練單元、輔助行走訓練單元、輔助進食訓練單元等功能模塊以及支架、車輪、護具、桌子等部件，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　康復醫(yī)療椅整體結(jié)構(gòu)

2　康復醫(yī)療椅各部分結(jié)構(gòu)設計

2.1　輔助站立訓練單元結(jié)構(gòu)設計及參數(shù)

2.1.1結(jié)構(gòu)設計

采用平行四桿機構(gòu)原理，通過平行四邊形桿機構(gòu)來完成坐椅的翻轉(zhuǎn)，從而輔助患兒直立.如圖2所示，將座椅豎直面(面O1O2O4O3)進行固定，通過電動缸的推動，帶動座椅的翻轉(zhuǎn)，且保證整個翻轉(zhuǎn)過程中座椅靠背豎直提升，實現(xiàn)了輔助患兒完成站立過程[5].

圖2　輔助站立結(jié)構(gòu)原理圖

如圖3所示為輔助站立模塊結(jié)構(gòu)圖，本設計充分考慮了腦癱兒四肢變形、不能隨意動等特點，在靠背處設計了護肩和護帶，保證了病人在站立過程中能固定上身，提高了站立運動過程中的安全可靠性.

圖3　輔助站立模塊結(jié)構(gòu)圖

2.1.2設計參數(shù)

由全國未成年人人體尺寸測量關(guān)于兒童身高體重等參數(shù)的部分調(diào)查數(shù)據(jù)[6]，我們得出現(xiàn)階段2～7歲兒童的人體結(jié)構(gòu)尺寸具體參數(shù)如表1、表2為我國兒童坐姿人體尺寸，表3為輔助站立機構(gòu)設計參數(shù).

表1　人體主要尺寸

表2　坐姿人體尺寸 　單位：cm

表3　輔助站立機構(gòu)設計參數(shù)

2.2　輔助行走訓練單元結(jié)構(gòu)設計及參數(shù)

2.2.1結(jié)構(gòu)設計

這一單元主要是通過不斷模仿人的行走過程，訓練患兒的腿部肌肉[7]，以減輕其痙攣癥狀，并且通過調(diào)節(jié)步進電機轉(zhuǎn)速及啟停時序，調(diào)整適合患兒訓練時的踏步速度，實現(xiàn)適合患者病情的踏步訓練，最終達到患兒自主行走的目的[8,9].

輔助行走機構(gòu)采用曲柄搖桿機構(gòu)原理，通過設計該機構(gòu)各桿的尺寸來最大程度上模擬人行走的過程.如圖4所示，AB桿長130 mm，BC桿長640 mm，CD桿長300 mm.通過步進電機帶動曲柄AB，驅(qū)動踏板以人行走的軌跡運動(如圖中P點的軌跡)，如圖5所示為輔助行走模塊結(jié)構(gòu)圖.

圖4　輔助行走結(jié)構(gòu)原理圖

圖5　輔助行走模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2.2設計參數(shù)

在傳動過程中我們通過平行四桿機構(gòu)輔助兒童進行站立，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6　平行四桿機構(gòu)原理圖

通過結(jié)構(gòu)的設計尺寸，分析在患者進行輔助站立時的參數(shù)，AB=CD=144 mm,AD=BC=440 mm.又因為在站立過程中，為了保持兒童在站立時的平穩(wěn)性，保證安全，由研究調(diào)查得出當兒童以大小為16 mm/s的速度進行提升站立時最為可靠[10,11].由圖可知當通過電推桿推動雙四桿機構(gòu)到達極限外置時，桿夾角φ=72°.

(1)

(2)

f2=1+a2-2cosφ

(3)

M=K2-2acosφ

(4)

K=1+a2+c2-b2

(5)

b=AB=CD=144 mm,a=c=AD=BC=440 mm.

2.3　輔助進食單元的結(jié)構(gòu)設計

輔助進食單元主要通過螺旋升降機構(gòu)驅(qū)動護臂[12]，使護臂在空間內(nèi)兩點之間移動，實現(xiàn)手部的搖擺、彎曲運動，達到手部移動訓練的目的[13].

螺旋升降機構(gòu)是一個較為復雜的運動構(gòu)件，涉及到兩個平面運動耦合成空間曲線運動，其運動原理圖如圖7所示.在XOY平面上，擺臂電動缸伸縮，驅(qū)動桿AC繞A點在XOY平面上轉(zhuǎn)動，且通過桿AC限制桿CE在X方向和Y方向上的自由度，從而實現(xiàn)點E與點C之間的同步運動，從而實現(xiàn)手的搖擺動作.同理，在FEC平面上，彎曲電動缸伸縮，驅(qū)動E點繞F點轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)手的彎曲過程.當彎曲電動缸、擺臂電動缸同時動作時，E點將實現(xiàn)手的搖擺和彎曲的耦合運動，從而到達模擬人進食的動作，如圖8所示為輔助進食模塊結(jié)構(gòu)圖.

圖7　腦癱兒四肢康復訓練椅結(jié)構(gòu)設計分析

圖8　輔助進食模塊結(jié)構(gòu)圖

2.4　其他結(jié)構(gòu)設計

2.4.1護理機支撐骨架設計

支撐骨架為減輕整機重量，主要采用不銹鋼圓管、不銹鋼槽鋼以及Q235的U形鋼板焊接而成，不銹鋼圓管直徑為25 mm，槽鋼尺寸為：30 mm×30 mm×35 mm，方形鋼板尺寸為：350 mm×100 mmm×70 mm，整體尺寸為：1 253 mm×550 mm×700 mm，其結(jié)構(gòu)如圖9所示.

圖9　護理機支撐骨架

2.4.2剎車機構(gòu)

剎車主要由剎車手柄、剎車連桿、剎車齒桿以及剎車支撐板組成，主要是巧妙地運用了四桿機構(gòu)的死點，當手柄掰到使兩根桿在同一直線上時，只要齒桿頂住車胎，則四桿機構(gòu)就會卡死，可以達到剎車的目的，其三維效果如圖10所示.

圖10　剎車機構(gòu)三維原理圖

2.4.3休息靠椅單元機構(gòu)的設計

休息靠椅單元是將靠椅通過氣彈簧的伸縮來實現(xiàn)靠椅的豎立與斜躺過程的應用單元.通過這個單元進而緩解疲勞.

2.4.4電源的選用

考慮到護理椅本身尺寸是有限的，最大長寬高不能超過300 mm×140 mm×300 mm范圍，以及相應電機、電推桿所需電壓最大為48 V和設計本身要求移動電源，所以選用48 V鉛酸蓄電池，外形尺寸：長151 mm寬98 mm高94 mm，并且可持續(xù)供電16 h，符合設計要求.

2.4.5腦癱兒童醫(yī)療康復椅三維模型及實物圖對比

通過對輔助站立結(jié)構(gòu)、輔助行走結(jié)構(gòu)、輔助進食結(jié)構(gòu)、護理機支撐骨架、剎車機構(gòu)、休息靠椅單元機構(gòu)等一系列結(jié)構(gòu)的設計與參數(shù)的計算最終繪制出如圖11所示的三維模型，并且對其進行了實物的制作，如圖12所示.

圖11　三維模型

圖12　實物圖

3　結(jié)　　論

本文設計了一款集輔助站立、輔助行走及輔助進食等多功能腦癱兒四肢康復醫(yī)療椅，可實現(xiàn)腦癱兒輔助站立、輔助行走集輔助進食等康復性訓煉；且建立了solidworks三維簡化模型，通過理論知識分析了各機構(gòu)設計參數(shù)，得出如下結(jié)論：

(1)采用模塊化設計可以根據(jù)實際需求進行功能設定，具有使用靈活，適應范圍廣的優(yōu)點，并能夠有針對性的完成康復訓練.

(2)優(yōu)化座椅靠背、輔助進食機構(gòu)等部件的結(jié)構(gòu)設計，改變其固有頻率，從而避免共振及噪聲對病人的影響.

(3)通過理論分析設計參數(shù)，使腦癱兒童康復訓練椅更加適用，更加安全可靠.

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