基于Ansys workbench 康復訓練支架的有限元分析

蔣志

（安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南232000）

1 概述

由于中國經濟的高速發展,人們生活水平的提高,私家車以及各種交通工具迅速增加,因交通事故造成的下肢損傷的患者也越來越多,以前的傳統康復訓練主要是依靠醫療師的工作經驗,多數是靠徒手完成康復訓練的。但是隨著下肢運動功能障礙患者的人數逐年增加,僅僅依靠醫療工作人員幫助下肢損傷的患者進行康復訓練,不僅工作強度大,而且訓練周期長。并且很多國家都面臨著醫療資源設備的短缺,對于康復訓練設備的需求也日益增加,因此,設計一款合理的康復訓練設備,必然可以提高康復治療的效率,縮短治療時間。康復訓練設備主要被用來幫助患者實現各種運動功能的康復訓練,比如上肢運動訓練和下肢運動訓練。有醫學研究表明,有規律的、科學的進行康復訓練是可以幫助下肢損傷的患者恢復基本行走能力的重要手段,對于家庭乃至社會都有著非同凡響的現實意義。張宵[1]對減重支撐系統結構進行了設計,該結構基本滿足減重需求。王文龍[2]設計了一種新型減重結構,能夠滿足使用者在不同要求下的減重康復訓練。張啟國[3]設計了一款自主控制的減重系統,可以滿足基本的減重步行康復訓練的需求。韓朝慧[4]詳細介紹了康復機器人的減重系統并驗證了可以實現恒力減重。王婷[5]設計了減重系統控制器,可以根據患者的康復程度選擇合適的減重力。在此基礎上,本文設計了一款康復訓練裝置,幫助下肢損傷的患者進行康復恢復訓練,由于康復訓練支架是主要的受力部件,為避免康復訓練支架在使用過程中發生斷裂,因此需要對康復訓練支架進行有限元分析,通過分析結果顯示本結構可以滿足使用者的使用要求。

2 康復訓練裝置的設計

減重康復訓練目前是國內外應用最多并且治療效果最明顯的一種康復訓練方式,現在已經得到了國內外康復治療的普遍認可。其康復訓練的效果也是非常的好,在能夠實現為下肢損傷的患者減重的同時,也可以幫助下肢損傷的患者進行康復訓練。其主要是使用懸吊裝置對下肢損傷的患者進行減重,讓下肢損傷的患者的重量減輕,這樣就可以實現下肢損傷的患者在支撐能力不足的情況下也能進行正常的康復訓練。懸吊支撐裝置一般是通過繩索與下肢損傷的患者連接。下肢損傷的患者在走步機的帶動下可以下意識的進行步行訓練,從而能夠促進正常行走能力的恢復。下肢損傷的患者站在走步機上進行康復訓練,上身穿著減重馬甲,下肢損傷的患者可以通過連接在減重馬甲的繩索以及懸掛裝置進行減重。下肢損傷的患者在進行康復訓練過程中,由于恢復周期較長,下肢損傷的患者在初期訓練需要較大的減重,保證他們可以行走；在中期訓練較小的減重,就可以保證他們正常進行步行訓練；后期訓練時,幾乎不需要減重,馬甲背心可以起到保護患者在康復訓練過程中不會摔倒。

如圖1 所示,設計的一種康復訓練裝置,該康復訓練裝置由減重機構、移動機構、康復訓練支架、馬甲和走步機組成。減重機構給予下肢損傷的患者提供合適的恒定減重力。該減重機構由步進電機提供動力,用聯軸器將電機輸出軸與齒輪軸連接在一起,斜齒輪與軸通過平鍵裝配在一起,實現同速轉動,再通過斜齒輪組進行減速,另一個斜齒輪通過平鍵裝配在另一根軸上,這根軸與帶線圈的軸連接在一起,通過旋轉牽動繩索給予下肢損傷的患者需要的減重力,通過定滑輪給繩索固定的方向。繩索連接拉力傳感器,可以檢測減重力的大小,方便我們調節步進電機給予恒定的減重力。拉力傳感器下面連接彈簧,可以彌補下肢損傷的患者在康復訓練過程中由于重心的上下波動而引起的減重力的恒定,然后連接到橫軸上,再連接到馬甲的兩側,避免了單根繩索受力不均,引起下肢損傷的患者在康復訓練過程中發生旋轉,進而造成第二次傷害。另一個步進電機通過聯軸器連接滾珠絲杠,將減重機構與滾珠絲杠上的螺母座用螺母固定連接,下肢損傷的患者穿上馬甲在走步機上進行康復訓練,會出現一定的位移,通過滾珠絲杠可以保證減重機構在患者的正上方,保證恒定的減重力。慢慢恢復正常行走能力。康復訓練裝置的支架由兩部分組成,支撐桿和U 型軌道,支撐桿與地面通過螺栓固定,支撐桿與U 型軌道用三個螺栓固定連接。在U 型軌道上有一個減重機構,給予下肢損傷的患者提供合適的恒定減重力,幫助下肢損傷的患者更好的恢復正常的行走能力。康復訓練支架在患者使用過程中主要的受力部件,也是容易發生斷裂的地方,需要對其進行靜力學分析,以滿足患者的使用要求。下肢損傷的患者在初期康復訓練時,由于下肢不太靈活,走步機可以調到很小的步速,給予患者前期舒適的治療；在康復訓練中期的時候,患者的下肢恢復到一定水平,走步機可以調到合適的步速,可以給患者提供一定的阻力,幫助患者更好的恢復,在康復訓練后期的時候,可以根據患者恢復的情況,調到穩定的步速和阻力,以致可以更好的幫助患者恢復行走能力。下肢損傷的患者使用該康復訓練裝置,不僅可以減輕醫療人員的工作強度,讓他們不再多對一的進行指導訓練,也能幫助患者恢復基本行走能力,達到較好的治療效果。

圖1 康復訓練裝置

3 康復訓練支架的有限元分析

康復訓練支架是主要受力部件,為避免在訓練過程中康復訓練支架由于受力而發生變形或者斷裂,因此需要對康復訓練支架進行靜力學分析,驗證一下康復訓練支架是否滿足下肢損傷患者的使用要求。

3.1 康復訓練支架網格的劃分

先使用solidworks 畫好康復訓練支架的支撐桿、U 型軌道和螺栓零件,支撐桿的長、寬、高分別為15mm、10mm、200mm,U 型軌道長120mm,將支撐桿和U 型軌道通過三個螺栓裝配在一起,然后將裝配好的的裝配圖保存格式為.x_t。然后再導入到Ansys workbench18.0 中,對康復訓練支架進行靜力學分析：先定義材料為Q235,查材料可知,Q235 的密度為7.85g/cm3, 楊氏模量為210GPa,泊松比為0.3,屈服強度為235MPa。再對其進行網格劃分,支撐桿和U 型軌道的網格大小設置為50mm,三個螺栓的網格大小設置為5mm,網格劃分后生成5927 個節點,2972 個單元。

3.2 施加載荷求解

在兩根U 型軌道上施加固定約束,下肢損傷的患者進行康復訓練時,下肢損傷的患者通過減重機構進行減重,對U 型軌道施加集中力載荷,軌道最左邊是距離支撐桿最遠處,也是康復訓練支架受力最大處,也是容易發生斷裂的地方,因此載荷施力點選定在該位置處,由于給下肢損傷的患者提供最大減重為100kg,所以載荷大小設置為1000N。進行靜力學分析,得到的總變形云圖和等效應力云圖,如圖2 所示。

通過分析康復訓練支架總變形云圖,可得到最大變形出現在軌道最左邊,最大位移約為6.3mm。通過分析康復訓練支架的等效應力云圖,可得到最大等效應力出現在支撐桿的左右兩側,最大等效應力約為211MPa,該康復訓練支架使用Q235 材料的最大屈服極限為235MPa。

通過等效應力云圖可知支架的最大等效應力值小于材料的屈服極限,該支架滿足下肢損傷患者的使用要求。

圖2 康復訓練支架總變形云圖及等效應力云圖