水下康復訓練裝置的設計

張記豪，吳建美，鄭鳳雷

(安徽三聯學院 機械工程學院，安徽 合肥 230601)

目前，人類常用的鍛煉方法有很多，跑步就是最常用的鍛煉方法之一，不僅可以提升人們的身體素質，而且能夠鍛煉心肺功能，且不需要其他器具，對于環境也沒有苛刻的要求。由于生活環境的改變和工作條件的限制，人們越來越傾向于選擇更加特殊的訓練裝置來進行康復訓練。水下跑步也是其中的一種鍛煉方式，筆者所研究的水下康復訓練裝置可適用于三大人群，包括：康復人員、訓練人員和一些老人。此裝置在康復訓練的過程中相對于普通的訓練裝置，其優勢為：產生的負面影響較小，有著更加智能化的數據監控系統、更加放心的安全措施、更加高效的訓練方式。

近年來，水下訓練裝置在運動康復領域越來越受到關注，雖然它不能直接治愈傷病，但它提供了受傷后依然能維持體能和重建肌肉力量的有效方法。因為人體在水中做運動時，水所提供的浮力和黏度有利于人們進行康復訓練。靜水壓力有助于支撐身體，保持平衡，從而提供了一個安全的鍛煉環境。同時它的適用范圍也很廣，從跟腱炎、足底筋膜炎、髂脛束綜合征、踝關節扭傷、前交叉重建術后、骨折術后等運動康復訓練到日常力量訓練和減重訓練都可以使用[1]。

1 國內外研究現狀

水下康復訓練裝置在國內外都有著很大的研究意義和廣闊的市場，目前，具有代表性的國外水下康復裝置是健之杰水下訓練裝置。旗下的水下訓練裝置，可依據個體的要求，合理、自由地控制水下訓練裝置速率大小的9個檔位，當感覺速度滿足不了使用者的鍛煉需求，還可以自由控制阻力噴嘴增添跑步阻力，阻力噴嘴噴發出來的水泡能夠對肌肉和關節起到按摩的作用。經過一個階段的運動后，使用健之杰水下訓練裝置配置的強力按摩水槍對身體局部進行按摩，可以減緩疲勞感，放松神經，使得身體快速地進行循環代謝，達到更好的康復效果。不僅如此，傷患者在康復過程中，也可以通過適當的按摩加快康復。目前，國內在水下實現康復的手段是進行水下健美操，主要是在水下完成各種動作，還有水下調理，通過水的流動、熱能的按摩、發汗作用，利用強力的高沖水壓，對頭、頸背等特定身體部位進行按摩，能夠起到放松、鎮靜的良好效用[2]。但這些手段主要是針對一般人士做簡單的健康調理而設計的。

目前，水下訓練裝置主要是針對健身人群設計的，而對于待康復人群及年邁人群使用而言，防護性能較低，因此，此產品在市場上不便于推廣應用；而且現有技術上的訓練裝置是多位一體的緊密連接的形式，不方便拆解也不能滿足所有人的訓練需求，其底座構造十分復雜不便于拆裝，更不便于對底座進行水平調節，而且必須要有一個大型的水池才能實現水下跑步訓練，所以價格昂貴，適用范圍較小，一般僅適用于私人會所和私人別墅。然而，筆者所研究的水下康復訓練裝置構造獨立，可自由升降扶手高度，使用方便，對環境條件要求低，適用范圍較廣，目前在國內市場還未普及。

2 設計思案

2.1 水下康復訓練裝置總體設計方案

水下康復訓練裝置不僅需要實現訓練裝置在水下的運動連貫性，實現水下跑步的功能，還需要實現機械部分在水下保持平衡，并做到減震、抗壓的效果[3]。并在水下應有數據收集和檢測系統，將運動相關信息反饋到主屏幕讓使用者根據自己的實時數據去做康復訓練。為此筆者設計了一種特殊的水下康復訓練裝置，如圖1所示。

該水下康復訓練裝置的組成主要有四大部分，包括：箱體、跑步帶以及可拆卸的扶手組件和支撐組件。包括5個系統，分別為軟件系統、控制系統、驅動系統、機械系統和感知系統。其中控制系統必須保證執行機構運動時的穩定性，尤其是水下運動時的穩定性，其結構緊湊保證了運作時實現功能的可靠性。

注：1.撐底件；2.箱體；3.平面臺；4.邊側蓋；5.跑步帶；6.橫桿；7.扶手裝置；8.豎桿；9.驅動裝置；10.動力源；11.減震裝置；12.變速機構；13.主動軸。

2.2 主體機械部分

水下康復訓練裝置的主體機械部分也稱為總骨架，它將各個機械結構和功能模塊結合在一塊。

2.2.1 箱體。箱體是一些機械零件的支撐座和四周起到密封作用的玻璃板組合而成。本設計箱體為一矩形體，下方密封性能良好，里面用來盛水，箱體壁強度和剛度較高且材質輕盈[4]，其里面有用來放置跑步帶的容置腔。

2.2.2 跑步帶及跑步帶框架。跑步帶框架包含邊側蓋條、里框條、支撐框架、定位板、主動軸、從動軸。跑步帶覆卷在跑步帶框架上并且將其安裝在容置腔的內部，跑步帶的寬度一般≥800 mm。跑步帶框架的兩邊都安裝有防護蓋，防護蓋上安裝了可以拆解的支撐零件，支撐零件上還設計了定位孔，豎桿可插入在定位孔內。

跑步帶框架的兩側都安裝了防護蓋，防護蓋在水平方向有設定的長度，其既可以起到保護防護帶的作用，同時也可為使用者暫時提供站立和休息的場所。

容置腔內對應邊側蓋設計有平臺面，平臺面對稱安裝在跑步帶的兩側并靠近邊側蓋，平臺面的高度與邊側蓋的高度相同，所以使得人們可以獲得更大程度的休息空間。

2.2.3 可拆卸的扶手裝置?？刹鹦兜姆鍪盅b置主要包括橫桿、豎桿、筒狀結構、鎖定件、芯體、卡接結構、承接臺、手持部、卡接部、鎖定槽、安裝孔、開口、鎖定孔、球狀卡接端、旋擰端和彈簧。

所設計的扶手裝置方便拆卸，位于在跑步帶的兩側。該扶手裝置包括了一些桿類支撐零件和連接部件；橫桿和豎桿連接的地方設置有供豎桿局部插入的裝配孔；橫豎桿連接的地方設有連接部件，連接部件插入裝配孔后安裝在筒狀機構內；連接部件包括了手持部、卡接部，卡接部可通過插入開口以卡接。

2.2.4 底座撐架組件。底座撐架組件方便拆卸,包含有：支撐框架、支撐本體、定位板、定位件、螺紋調節件、支撐墊、隔離螺母、撐底件、定位孔、連接套塞和豎桿。支撐本體在支撐框架的上方；支撐框架的下面設有一些定位板，定位板與支撐框架之間通過螺栓組連接實現可拆卸式連接；定位板上設有一些定位件，定位件穿越并伸出一部分在箱體外。支撐架外部輪廓呈現出矩形形狀，支撐架本體由兩個L形的支撐零件組成，且板件直角邊的兩端分別設有螺紋調節件用來調節直角邊相互平行。

2.2.5 固定裝置。筒狀機構和連接部件之間還設計了鎖定裝置,鎖定裝置包含設置在筒狀機構上的固定孔、連接部件上的固定槽以及穿過固定孔卡設在固定槽上的固定件。固定件包含：球狀連接端、擰緊端和用以連接球狀連接端和擰緊端的彈簧，擰緊端的外側與固定孔的內側設計了互相結合的螺紋連接裝置，球狀連接端安置在固定槽內。

2.3 減震裝置

對應的動力源部分設有減緩震動的裝置，該裝置包括用來固定的板以及用來支撐動力源的板。動力源支承板安裝在支承過渡板的上方，支承板與固定板之間安裝了許多用來連接的零件。

2.4 驅動裝置

驅動裝置包含動力源、主動軸和從動軸，動力源通過帶傳動與主動軸連接，主動軸和從動軸安裝在跑步帶框架的兩頭，跑步帶覆卷在主動軸及從動軸上。

2.5 升降裝置

升降椅裝置位于箱體的側邊，升降椅裝置有升降柱機構和可以上下升降的座椅組成[5]。當箱體內的水位較高時，使用者可以通過調節升降椅裝置降落到訓練裝置上，更好地增強了對于患者及年邁者的可使用性，設計更為合理。

2.6 輔助措施

水下訓練裝置除了可以通過規劃康復訓練方式完成康復外，還可以在箱體里面滴一些有助于康復的化學物質。此設計容納的水中本來就包括有多種微量礦物質，如果往水中加入特定含有化學刺激的介質，通過此類化學性藥劑的刺激能夠增強水下康復治療的作用并驅使人們的機體獲得意想不到的治療效果，并輔助訓練裝置以達到更高的恢復效果。

3 結束語

隨著中國現代科學技術和經濟的發展，健身和康復的方法也越來越多，水下康復訓練裝置的出現使得傳統訓練裝置已然不能滿足市場需求了，于是開始向水下康復訓練裝置這一塊的新模式轉變。筆者所設計的水下康復訓練裝置設計巧妙、結構緊湊更加符合人體康復訓練時的需求，并且本設計的訓練裝置結構上所使用的材料為新型合金材料[5]，強度和剛度均滿足設計要求，造價成本較以前的更加合理。目前，市場上水下康復訓練產品較少，但其背后的市場需求量也是不可估量的，從而該設計針對國內外研究的不足，提出了一個適用于三大群體的水下康復訓練裝置。由于水下康復訓練裝置是一種技術含量高的運動訓練和恢復裝置，雖然在國外得到了一定的應用，但由于其價錢較前者更加昂貴，需要較多的勞動者去制造所以限制了它在國內市場上的應用，造成國內市場上的應用和跟其有關的研究成果還比較少。因此，有關水下康復訓練裝置的治療效果還需要進一步地進行大量實體數據分析，通過收集數據、分析數據來進行實證性的研究。