腦癱患兒爬行訓練架設計及分析

姜吉光， 王楚超， 張文杰

（長春理工大學 機械工程學院，長春130022）

0 引 言

腦癱（Cerebral Palsy，CP）是一種因非進行性腦損傷所導致的神經發育障礙性疾病[1]。而小兒腦癱是指嬰兒在腦發育尚未成熟的階段由于腦癱所致的以姿勢各運動功能障礙為主的綜合征。臨床上小兒腦癱種類可分為手足徐動型、痙攣型、共濟失調型，同時伴隨著無意識動作增多、四肢僵硬、肌無力且無法保持身體平衡等特征。統計數據顯示，目前全球腦性癱瘓患兒超過1200萬。我國腦性癱瘓患兒超過600萬。小兒腦癱嚴重影響患兒的身心健康，給家庭和社會帶來沉重負擔，因此腦癱患兒的治療與康復尤為重要[2]。

爬行作為嬰兒期具有里程碑意義的位移活動[3]，是步態以外最具代表性的移動方式。兒童典型爬行方式包括手膝式、手足式、匍匐式、快速式等。其中手膝爬行模式是最為常見的爬行方式[4]。對腦癱患兒進行爬行訓練可以明顯改善其運動功能[5]。目前的爬行訓練療法，主要包括Bobath技術和Vojta技術中的R-K法，以及配合爬行輔具進行訓練[6]，能夠阻止患兒異常姿勢的發展、防止肌肉萎縮和關節痙攣、促進腦組織發育，進一步提高患兒的生存質量[7]。

傳統訓練需要在人工輔助的情況下進行，且療效長、效果不明顯、治療費用高。借助訓練設備進行康復訓練已成為發展的必然趨勢[8]，針對上述存在問題，設計一種具有爬行訓練功能的爬行架，模擬四肢交互訓練模式中的四爬訓練，采用末端執行器的牽引方式，在康復訓練機構的帶動下，模擬普通嬰兒手膝爬行規律，進行康復訓練，同時通過調節搖桿長度可以改變患兒的爬行步距，為患兒提供個性化康復訓練。

1 機構設計

運用SolidWorks三維軟件創建爬行架的人機模型如圖1所示，機械結構主要包括安裝于爬行架下側的康復訓練機構、機械傳動系統和適應性調節機構。同時設計了下顎牽引帶緩解了患兒頸部肌張力亢進，設計了手部托板、腿部緩沖型限位夾套，抑止其異常爬行姿勢，促進正常爬行方式的培養和恢復。此外，為滿足患兒精細化、個性化康復訓練的需要，該爬行架針對不同年齡段的嬰兒設計了適應性調節機構。下面對主要組成機構進行具體介紹。

1.1 康復訓練機構

根據嬰兒的爬行規律[9]，爬行過程中其手部與膝部的運動軌跡均呈弧線型，考慮到患兒在進行原地爬行訓練時，身體驅干保持中立位，根據相對運動原理患兒手部呈封閉曲線軌跡，膝部呈弧線運動軌跡。

康復訓練機構中，左右側機構結構對稱，下面以左側康復訓練機構為例進行具體介紹。圖2所示為手臂訓練機構與腿部訓練機構的機構運動簡圖。其中，搖桿均由可變長度的電動推桿充當。

圖1 人機模型

圖2 手臂、腿部訓練機構運動簡圖

手臂訓練機構由切比雪夫連桿結合十字滑軌組成，通過曲柄轉動，帶動搖桿擺動，使連桿3末端近似成一“面包型”封閉曲線軌跡，在手部托板5帶動下，患兒進行爬行訓練。通過調節電動推桿長度可以改變患兒實際手部的運動軌跡，進一步改變患兒手部的水平與豎直方向的位移，方便患兒進行不同程度的訓練。

腿部訓練機構的主要執行機構仍為四連桿機構，不同之處在于，連桿5的末端鉸接軸承，軸承一方面與U形槽采用線面接觸的高副連接方式，另一方面軸承與滑軌鉸接。曲柄2的轉動帶動連接桿5做平面運動，推動軸承沿U形槽做純滾動，通過十字滑軌進一步帶動腿部限位夾套完成弧線型運動軌跡。與手臂訓練機構類似，通過改變電動推桿長度，可以調節患兒膝部的運動參數。

1.2 機械傳動系統

圖3所示為傳動系統的機構示意圖。86系列步進電動機通過同步帶輪將動力傳遞給主軸，主軸上固定有齒輪，通過齒輪與不完全齒輪間的嚙合將運動分別傳遞給左、右側的康復訓練機構，通過設置不完全齒輪的初始擺放角度，實現齒輪1、4運動的同時齒輪2、6保持靜止；齒輪2、6運動時，齒輪1、4保持靜止。該間歇機構的設計實現了患兒身體對位側肢體的輪換運動，模擬嬰兒手臂與膝部的伸展姿態，達到患兒手膝式爬行運動要求。

圖3 機械傳動系統

1.3 適應性調節機構

適應性調節機構主要包括調節滑軌、調節滑塊、鎖緊扳手和滑軌卡塊。當逆時針轉動鎖緊扳手時，滑軌卡塊與調節滑軌之間呈脫離狀態，調節滑塊可在調節滑軌上自由移動，從而實現腦癱患兒手臂與手臂、腿部與腿部之間距離的調節，從而適應肩部寬度不同的腦癱患兒；當鎖緊扳手順時針轉動時，滑軌卡塊靠近調節滑軌，調節滑塊與調節滑軌保持相對靜止，調節滑塊緊鎖不能移動。手臂、腿部訓練機構中的適應性調節機構原理相同，如圖4所示。

圖4 適應性調節機構

2 運動學分析

通過對康復訓練機構進行運動學分析，理論計算手掌托板和腿部限位夾套的位移、速度表達式，分析影響其運動變化規律的運動參數，通過合理設置參數，驗證得出合理的整體機構設計，確保腦癱患兒的爬行訓練達到預期的康復效果，有利于病情的康復。

2.1 正運動學分析

對手臂訓練機構進行正運動學分析, 圖2中由閉環矢量關系經歐拉公式展開可得：

通過對康復訓練機構的運動學分析，得到末端執行器位置坐標式（4）、式（10），并結合式（3）、式（8）可知，患兒手部和膝部的運動軌跡與康復訓練機構中的搖桿長度和曲柄的瞬時轉角有關，通過調節電動推桿長度可以改變患兒的運動參數。

2.2 搖桿長度的影響

為對患兒手部與膝部位移起到適應性調節的作用，手臂訓練機構與腿部訓練機構中的搖桿均由電動推桿充當。通過控制電動推桿的伸出長度能夠靈活、方便地調節搖桿長度。以5 mm為長度間隔，搖桿長度為90～130 mm的患兒手部仿真運動軌跡如圖5所示。

同理可對腿部訓練機構進行分析，同樣以5 mm為長度間隔，搖桿長度為80～110 mm的患兒膝部仿真運動軌跡如圖6所示。

搖桿長度不同，對應的患兒手部與膝部的運動軌跡會發生變化，具體體現為患兒手部的最大水平、垂直位移和患兒膝部的最大水平、垂直位移會發生相應改變。

圖5 不同搖桿長度對患兒手部軌跡的影響

圖6 不同搖桿長度對患兒膝部軌跡的影響

由圖5可知，患兒在進行康復訓練時手掌的運動軌跡均呈一近似“面包型”的光滑、連續封閉曲線。如圖7所示，手部最大水平、垂直位移與搖桿長度間沒有明顯的比例關系，由圖5可知，當搖桿長度為125 mm、130 mm時，軌跡最下端出現“尖點”，患兒手部在回程過程中會出現明顯的“頓挫感”，因此在調節過程中應避免搖桿長度處于該范圍內。搖桿長度越小，軌跡曲線的平滑度越好。

同理，隨搖桿長度變化，患兒膝部的運動軌跡呈弧線型（如圖6），當搖桿長度從80～110 mm變化過程中，患兒膝部的水平位移與垂直位移也隨之增大，當搖桿長度為110 mm時，患兒膝部的最大水平與垂直位移分別為108.41 mm和52.74 mm?？芍純合ゲ康倪\動參數由軸承與腿部訓練機構U形槽的接觸區域決定。通過合理調節并組合兩組機構中電動推桿的長度，達到患兒訓練所需的強度要求。

3 結 語

本文以普通嬰兒正常爬行姿勢下手掌和膝部協調運動規律為設計目標?；谳o助爬行訓練器械爬行架，設計了一種具有爬行訓練功能的新型腦癱康復輔助器械。對康復訓練機構進行運動學分析，規劃患兒手部和膝部的運動軌跡，從理論上證明了爬行架手臂和腿部訓練機構幫助患兒實現爬行運動的可行性。通過調節搖桿長度，可對患兒的實際運動軌跡和運動位移進行相應調節，可針對不同患兒的訓練需求進行個性化康復訓練。