一種可供踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的智能輪椅設(shè)計(jì)

褚天月，王景炎，潘黎明，陳晉市，馬東梅，黃蕾，殷寶月，徐昕

1. 吉林大學(xué)第一醫(yī)院 手足外科護(hù)理平臺(tái)，吉林 長春 130021；2. 吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長春 130025

引言

隨著居民年齡的增長導(dǎo)致的骨密度降低、危險(xiǎn)作業(yè)及交通意外事故增多，大手術(shù)、腦血栓患者和下肢殘疾人等下肢功能障礙患者的數(shù)量不斷上升。目前，輪椅作為肢體不便者、體力受限的老年人及下肢殘疾人士的一種實(shí)用代步工具，受到越來越多的關(guān)注。

國內(nèi)對智能輪椅課題的研究成果主要集中在以下幾個(gè)方面：王慧等[1]提出根據(jù)使用者姿態(tài)變化可實(shí)現(xiàn)對輪椅行駛狀態(tài)的控制，且具有良好的減震效果；吳清等[2]運(yùn)用功能-行為-結(jié)構(gòu)模型對智能輪椅支撐、連接、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了自動(dòng)輔助駕駛輪椅的可行性；王京華等[3]基于起立機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了可如廁電動(dòng)輪椅，解決了下肢運(yùn)動(dòng)障礙者獨(dú)自如廁的難題；王濤等[4]、王秀紅等[5]通過采用行星式、履帶式爬坡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輪椅爬樓功能，保證了輪椅爬樓具有驅(qū)動(dòng)力足、穩(wěn)定且不傾翻等優(yōu)點(diǎn)；潘路等[6]采用人機(jī)交互的方法，設(shè)計(jì)了具有自動(dòng)避障、站立變形、輔助康復(fù)作用的多功能輪椅。

國外學(xué)者對康復(fù)輪椅的研究成果歸納為以下幾個(gè)方面：Kim 等[7]設(shè)計(jì)了康復(fù)模塊和生物識(shí)別模塊，可對下肢功能障礙患者進(jìn)行定期康復(fù)鍛煉與診斷；Cao 等[8]通過聲控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對輪椅的多姿態(tài)轉(zhuǎn)換和平衡控制，使患者的獨(dú)立性和生活質(zhì)量得到提高； Zgallai 等[9]、Amrein 等[10]通過深度學(xué)習(xí)腦信號(hào)識(shí)別運(yùn)動(dòng)軌跡，搭配傳感裝置以幫助無法控制身體的盲人和癱瘓患者代步移動(dòng)；Long 等[11]研究了混合腦機(jī)接口系統(tǒng)對于輪椅運(yùn)動(dòng)方向和速度的控制，驗(yàn)證了混合控制系統(tǒng)的可行性；van den Akker 等[12]通過實(shí)驗(yàn)推測未來影響輪椅使用者生活方式的干預(yù)因素包括日常生活的平衡、專業(yè)指導(dǎo)、設(shè)施的可靠性、社會(huì)支持等方面。

根據(jù)上述研究成果可知，智能輪椅目前的發(fā)展以可供自主控制、升降對接、多地形移動(dòng)、智能化為主，但專業(yè)化輔助康復(fù)功能設(shè)計(jì)較為匱乏。本文結(jié)合目前國內(nèi)現(xiàn)有輪椅，旨在設(shè)計(jì)一種可供下肢功能障礙人士使用的康復(fù)智能輔助輪椅，搭配控制電路以滿足踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的需求，保證康復(fù)過程的安全性、可靠性。

1 功能分析與設(shè)計(jì)

1.1 功能分析

目前，國內(nèi)輪椅產(chǎn)品功能主要以行走、升降、輔助、智能化等為主。為設(shè)計(jì)一款貼合用戶實(shí)際使用需求的產(chǎn)品，從術(shù)后患者、腦血栓患者、老年用戶與殘疾人士等下肢功能障礙人群的自身需求出發(fā)，綜合考慮結(jié)構(gòu)、性能、成本等諸多因素，最終確定智能輪椅需具備以下功能：① 行走功能：在驅(qū)動(dòng)器的作用下，輪椅可搭載使用者進(jìn)行室內(nèi)外行走，并實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，具體操控方式可分為手動(dòng)與自動(dòng)控制；② 升降功能：用戶可自主調(diào)節(jié)輪椅高度，以實(shí)現(xiàn)用戶對座椅不同位置高度的需求，如可實(shí)現(xiàn)高低位自由切換、取物、辦公等；③ 輔助功能：主要通過輪椅輔助機(jī)構(gòu)幫助下肢功能障礙人群進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，預(yù)防大手術(shù)后患者深靜脈血栓的發(fā)生，防止腦血栓患者因功能障礙缺乏活動(dòng)造成肌肉萎縮，同時(shí)促進(jìn)腦血栓患者的血液循環(huán)，幫助受損肌肉恢復(fù)生長。

根據(jù)市場調(diào)研和社會(huì)調(diào)查，目前踝關(guān)節(jié)障礙恢復(fù)已成為用戶的重要需求，故本文在基于行走、升降等功能的基礎(chǔ)上，主要針對輔助功能的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足用戶的使用需求。

1.2 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分析

人體足踝部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，包含3 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和3 個(gè)運(yùn)動(dòng)平面，共3 個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。在足部矢狀面的動(dòng)作為跖屈和背屈，水平面的動(dòng)作為外展和內(nèi)收，冠狀面的動(dòng)作為外翻和內(nèi)翻，腳踝活動(dòng)示意圖如圖1 所示。腳踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)度是康復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心要素，由于康復(fù)用戶運(yùn)動(dòng)角度遠(yuǎn)小于正常極限標(biāo)準(zhǔn)以及康復(fù)機(jī)構(gòu)配合輪椅結(jié)構(gòu)干涉等因素，設(shè)計(jì)輪椅腳踝外/內(nèi)翻、跖/背屈的極限運(yùn)動(dòng)角度以不超過25°較為合適。

圖1 腳踝活動(dòng)度示意圖

1.3 腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足腳踝關(guān)節(jié)多自由度運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相匹配的需求，腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)部分、支撐部分、鉸接部分組成。驅(qū)動(dòng)部分包括舵機(jī)、驅(qū)動(dòng)桿、電動(dòng)推桿；支撐部分包括支撐底板、轉(zhuǎn)盤踏板、支撐桿、固定桿；鉸接部分包括鉸接支架、鉸接機(jī)構(gòu)、連接軸、定位銷孔等。腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)主要通過舵機(jī)和電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)構(gòu)成并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，搭配轉(zhuǎn)盤踏板的鉸接機(jī)構(gòu)完成機(jī)構(gòu)多自由度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輔助踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的產(chǎn)品功能，踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在康復(fù)過程中起著至關(guān)重要的作用，不良或者錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響康復(fù)效果，甚至造成不可逆的后果。本文對智能輪椅進(jìn)行功能分析后，最終設(shè)計(jì)輪椅整體，包括座椅結(jié)構(gòu)、靠背結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、康復(fù)機(jī)構(gòu)等。智能輪椅座椅部分通過固定支架與靠背部分相連，座椅底部與輪轂連接，起到總體剛性支撐并保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置于智能輪椅底部，搭配萬向輪可控制輪椅多方位運(yùn)動(dòng)，剎車機(jī)構(gòu)位于扶手底部，便于患者對車體速度及時(shí)調(diào)控；康復(fù)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)、支撐、鉸接等部件組成，實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)多自由度勻速翻轉(zhuǎn)等康復(fù)功能，見圖3。

圖3 康復(fù)輪椅結(jié)構(gòu)圖

輔助輪椅尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)貼合實(shí)際用戶的使用情況，以國內(nèi)人體測量數(shù)據(jù)作為參考，最終設(shè)計(jì)智能輪椅模型的關(guān)鍵指標(biāo)[13]，見表1。

表1 輪椅模型關(guān)鍵指標(biāo)（mm）

2.2 使用方法

為便于患者操控輪椅的各項(xiàng)功能，產(chǎn)品將控制按鈕開關(guān)設(shè)置在扶手上，當(dāng)患者坐在康復(fù)輪椅上時(shí)，可通過扶手上的按鈕開關(guān)啟動(dòng)行走，搭載底部萬向輪以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能；當(dāng)遇到突發(fā)狀況時(shí)，拉起剎車把手即可實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)，防止意外事故的發(fā)生；患者可通過控制升降按鈕實(shí)現(xiàn)整車平臺(tái)的升降，實(shí)現(xiàn)高、低位切換的功能；在啟動(dòng)康復(fù)按鈕后，輪椅腳踏板處的康復(fù)機(jī)構(gòu)在多個(gè)電動(dòng)推桿的共同作用下，幫助患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練，踝關(guān)節(jié)的受力情況可根據(jù)患者的實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為確保控制系統(tǒng)具有控制精度高、設(shè)備反應(yīng)迅速、調(diào)節(jié)形式便捷等優(yōu)勢，經(jīng)過不同控制源的對比分析，本文控制源采用瑞士意法半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品STM32F103型號(hào)單片機(jī)，搭配Cortex-M3 內(nèi)核和ARMv7-M 架構(gòu)，具有成本低、外置接口豐富、易于與輪椅結(jié)構(gòu)相匹配等特點(diǎn)，產(chǎn)品核心板實(shí)物圖如圖4 所示。控制系統(tǒng)通過內(nèi)部電源為STM32F103 單片機(jī)供電，通過總電源分別為減速舵機(jī)與電動(dòng)推桿供電。單片機(jī)引腳引出與控制驅(qū)動(dòng)器的1/2 處相連，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)器對電動(dòng)推桿、減速舵機(jī)的相關(guān)控制。為避免緊急情況，系統(tǒng)設(shè)置急停開關(guān)以保證用戶的使用安全。

圖4 STM32F103單片機(jī)實(shí)物圖

由于脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）采用高電平輸出有效配置，因此在整套設(shè)備調(diào)試時(shí)采用共陰極原理接線法[14]。此外，為滿足內(nèi)部邏輯的需要，主要編寫PWM 程序、時(shí)鐘中斷跳出程序、按鍵控制封裝程序，其邏輯流程框圖如圖5 所示。

圖5 內(nèi)部邏輯流程框圖

（1）PWM 程序：包含輸入輸出（IO）引腳配置函數(shù)、輸出IO 模式、通用輸入輸出口（GPIO）引腳頻率、自動(dòng)重裝載寄存器（ARR）值、計(jì)數(shù)器時(shí)鐘分頻因子（PSC）的宏定義與參數(shù)值輸入等功能。

（2）時(shí)鐘中斷跳出程序：封裝函數(shù)作用于系統(tǒng)計(jì)時(shí)中斷，系統(tǒng)主函數(shù)跳入執(zhí)行PWM 輸出，實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的控制。

（3）按鍵控制封裝程序：封裝函數(shù)作用于按鍵控制，通過對增減按鍵的多次觸發(fā)，達(dá)到改變脈沖輸出函數(shù)、調(diào)節(jié)活動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度與角度幅值的目的，以滿足不同康復(fù)患者的實(shí)際需求。

2.4 仿真分析

2.4.1 動(dòng)力學(xué)仿真分析

為驗(yàn)證該康復(fù)機(jī)構(gòu)是否符合動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本文通過CATIA 軟件建立三維模型，利用Adams 仿真軟件搭建平臺(tái)并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。首先，將三維模型導(dǎo)入軟件中進(jìn)行初始值設(shè)定，設(shè)置各運(yùn)動(dòng)副、負(fù)載、約束等參數(shù)條件，完成仿真模型的預(yù)處理。在康復(fù)訓(xùn)練過程中，分別對縱向踝關(guān)節(jié)的縮進(jìn)、伸長進(jìn)行仿真分析，解析機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從而作為評定機(jī)構(gòu)合理性的依據(jù)[15]。

2.4.2 靜力學(xué)仿真分析

由于輪椅輔助零件具有支撐效果，為驗(yàn)證機(jī)構(gòu)中各零件在工作姿態(tài)及受載情況下是否因超過材料的屈服極限而導(dǎo)致零件失效，在對產(chǎn)品進(jìn)行三維建模的基礎(chǔ)上，利用ANSYS 軟件進(jìn)行靜力學(xué)仿真。首先將三維模型導(dǎo)入模塊并進(jìn)行預(yù)處理工作，接著進(jìn)行網(wǎng)格劃分、局部網(wǎng)格加密等操作，最終對核心零件進(jìn)行選材并施加外部載荷，觀察其強(qiáng)度、最大應(yīng)力是否滿足要求。

3 結(jié)果

3.1 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

在踝部縱向關(guān)節(jié)的仿真分析過程中，應(yīng)考慮電動(dòng)推桿伸縮長度和速度、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)角度和角速度以及翻轉(zhuǎn)扭矩等因素。通過Adams 軟件對縱向踝關(guān)節(jié)的伸長、縮進(jìn)動(dòng)作進(jìn)行仿真分析，擬合曲線結(jié)果表明，電動(dòng)推桿縱向縮進(jìn)長度為80 mm，上翻角度為0°～25°；伸出長度為40 mm，下翻角度為0°～14°；電動(dòng)推桿伸縮總長為120 mm，腳踝縱向彎折角度在-25°～14°區(qū)間內(nèi)，符合人體工程學(xué)的最大翻轉(zhuǎn)角度，且仿真過程中曲線平滑過渡，無凸點(diǎn)產(chǎn)生，運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)，該過程運(yùn)動(dòng)角度變化曲線如圖6 所示。

圖6 踝關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)角度變化圖

將電動(dòng)推桿伸縮速度轉(zhuǎn)化為踝部關(guān)節(jié)縱向翻折角速度，仿真得出推桿收縮狀態(tài)下踝部關(guān)節(jié)縱向運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)角速度約為6.65 °/s，收縮運(yùn)動(dòng)達(dá)到上翻角度極限時(shí)，翻轉(zhuǎn)角速度接近5.85 °/s；推桿伸長狀態(tài)下，踝部關(guān)節(jié)縱向運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)角速度為4.98 °/s，伸長運(yùn)動(dòng)達(dá)到下翻角度極限時(shí)，翻轉(zhuǎn)角速度接近5.95 °/s；在電動(dòng)推桿運(yùn)行速度可調(diào)的情況下，總體翻轉(zhuǎn)過程運(yùn)動(dòng)周期為8 s，平均翻轉(zhuǎn)角速度約為5.9 °/s，符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)要求5～20 °/s 的速度范圍，運(yùn)動(dòng)角速度曲線如圖7 所示。

圖7 踝關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)角速度圖

在踝部進(jìn)行翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)置腳部與機(jī)構(gòu)部件的綜合質(zhì)量為12 kg，計(jì)算得出上翻運(yùn)動(dòng)的最大啟動(dòng)扭矩值為20500 N·mm，下翻運(yùn)動(dòng)的最大啟動(dòng)扭矩值為20602 N·mm。由仿真結(jié)果分析得出，踝部翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所需扭矩約為20 N·m，故后續(xù)電動(dòng)推桿選型時(shí)，其推力產(chǎn)生的扭矩應(yīng)大于該參考值，該轉(zhuǎn)動(dòng)過程扭矩隨時(shí)間變化曲線如圖8 所示。

圖8 踝關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)扭矩圖

由于踝部關(guān)節(jié)橫向運(yùn)動(dòng)主要通過直流減速舵機(jī)實(shí)現(xiàn)對該運(yùn)動(dòng)的控制，在踝關(guān)節(jié)橫向運(yùn)動(dòng)的仿真分析過程中，應(yīng)著重考慮舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、角速度、扭矩等因素。通過Adams 對外展運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析，擬合出外展運(yùn)動(dòng)角速度與運(yùn)動(dòng)角度的相對關(guān)系如圖9 所示，藍(lán)色虛線為舵機(jī)所提供的角速度，紅色實(shí)線為外展運(yùn)動(dòng)翻折角度。擬合曲線結(jié)果表明，舵機(jī)所提供角速度較為穩(wěn)定，維持在10 °/s，符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)要求5～20 °/s 的速度范圍；踝部橫向運(yùn)動(dòng)翻折角度最大值為20°，貼合人體腳踝最大翻折角度的正常值，且仿真曲線平滑、穩(wěn)定。

圖9 踝部橫向關(guān)節(jié)角度/角速度圖

在腳踝部關(guān)節(jié)進(jìn)行外展運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)置腳部與機(jī)構(gòu)部件綜合質(zhì)量為7 kg，計(jì)算得出啟動(dòng)與擺動(dòng)的扭矩值范圍為17205～17229 N·mm。如圖10 所示，由于質(zhì)心位置設(shè)定時(shí)，模擬腳部放置處產(chǎn)生局部不居中的情況，產(chǎn)生扭矩上的微小凸點(diǎn)，不影響后續(xù)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，故通過仿真分析可得，踝部外展運(yùn)動(dòng)所需扭矩約為17.2 N·m，因此，后續(xù)所選舵機(jī)產(chǎn)生的扭矩值應(yīng)大于該參考值，踝部橫向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)扭矩隨時(shí)間變化曲線如圖10 所示。

圖10 踝部橫向關(guān)節(jié)扭矩圖

3.2 靜力學(xué)仿真結(jié)果

對康復(fù)機(jī)構(gòu)核心零件載荷踏板進(jìn)行靜力學(xué)分析，假設(shè)一位身高180 cm、體重80 kg 的成年人作用在腳踝康復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的重量約為8.7 kg，將相應(yīng)載荷作用于零件，并設(shè)置邊界條件。載荷踏板采用尼龍材料，屈服強(qiáng)度為60 MPa。通過載荷踏板應(yīng)力-變形云圖計(jì)算結(jié)果可知，載荷所產(chǎn)生的最大屈服應(yīng)力為1.4 MPa，最大變形量為0.465 mm，均遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力和最大形變量，可滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度要求（圖11）。

圖11 載荷踏板應(yīng)力-變形分析云圖

通過仿真分析結(jié)果可知，康復(fù)機(jī)構(gòu)中的電推桿和舵機(jī)并聯(lián)裝置可滿足運(yùn)動(dòng)角度變換且運(yùn)行速度穩(wěn)定，同時(shí)通過計(jì)算可得踝關(guān)節(jié)彎折、翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)所需電推桿和舵機(jī)提供的最大扭矩，仿真結(jié)果驗(yàn)證了康復(fù)輪椅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。在靜力學(xué)分析中，康復(fù)機(jī)構(gòu)中載荷踏板的強(qiáng)度和剛度均滿足使用需求，符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

3.3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)性能測試

為檢驗(yàn)多功能康復(fù)輪椅的各項(xiàng)功能與實(shí)際性能，采購各項(xiàng)零部件并進(jìn)行組裝及制作裝配控制系統(tǒng)，搭建智能康復(fù)輪椅實(shí)物樣機(jī)，見圖12。

圖12 康復(fù)輪椅實(shí)物樣機(jī)圖

通過搭建傳感器對樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，采集康復(fù)輪椅的相關(guān)狀態(tài)參數(shù)，并參照檢測指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，校對結(jié)果如表2 所示。

表2 測試參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)校對表

4 討論

在智能康復(fù)輪椅與踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究中，黃夏等[16]對當(dāng)前國內(nèi)踝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置進(jìn)行總結(jié)，設(shè)計(jì)與優(yōu)化了相關(guān)結(jié)構(gòu)，最終提出優(yōu)化后內(nèi)翻、外翻運(yùn)動(dòng)角度范圍為0°～30°，背屈、趾屈運(yùn)動(dòng)角度范圍為0°～20°，外展、內(nèi)收運(yùn)動(dòng)角度范圍為0°～20°；王志浩等[17]設(shè)計(jì)了牽引式踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，通過仿真分析得出趾屈最大轉(zhuǎn)角為29.71°，背伸最大轉(zhuǎn)角為19.43°；徐桂元等[18]設(shè)計(jì)了一種腳踏式膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置，該設(shè)計(jì)的踝關(guān)節(jié)跖屈、背伸范圍區(qū)間為-15°～16°，活動(dòng)角度范圍為31°，踝關(guān)節(jié)裝置最大扭矩為27 N·m；張彥斌等[19]基于無耦合轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，其仿真分析結(jié)果表明，踝關(guān)節(jié)達(dá)到最大背屈量30°時(shí)需要的扭矩為44 N·m，達(dá)到最大外展角度15°和最大內(nèi)收角度25°時(shí)所需要的扭矩分別為44 N·m 和33 N·m。以上相關(guān)研究均驗(yàn)證了本文檢測結(jié)果的科學(xué)性與可行性。

綜上所述，不同研究學(xué)者對于踝部關(guān)節(jié)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)各有不同，但康復(fù)效果均有相似之處。本文實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測試結(jié)果與上述各研究結(jié)論總體相符，彼此差異主要由不同實(shí)際康復(fù)需求決定，各研究所提出的運(yùn)動(dòng)參數(shù)均符合人機(jī)工程學(xué)。

在國內(nèi)關(guān)于踝關(guān)節(jié)康復(fù)儀器的研究方面，李靖靖等[20]設(shè)計(jì)了一種基于3-UPRU/S 并聯(lián)式踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，通過Adams 軟件對該康復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能與訓(xùn)練規(guī)劃進(jìn)行了研究，并通過搭建樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)際工作角度與訓(xùn)練規(guī)劃的驗(yàn)證，優(yōu)化了康復(fù)周期內(nèi)角速度的波動(dòng)；邊輝等[21]研究了一種具有彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副的生物融合式踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，通過對踝關(guān)節(jié)康復(fù)角與機(jī)械機(jī)構(gòu)輸出間的映射關(guān)系進(jìn)行分析，使驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了對人體關(guān)節(jié)的混合控制；劉延斌等[22]主要針對踝關(guān)節(jié)的主動(dòng)控制進(jìn)行仿真模擬，建立了踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備的動(dòng)力學(xué)模型，并提出氣動(dòng)肌肉冗余并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的柔順控制策略；禹潤田等[23]設(shè)計(jì)了一種柔性繩驅(qū)動(dòng)式踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，通過對驅(qū)動(dòng)繩索張力進(jìn)行分析、求解和優(yōu)化，保證了設(shè)計(jì)平臺(tái)具有良好的靈巧性和剛度性能；李少帥等[24]以單開鏈為單元對三轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行型綜合，通過Adams 軟件對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用可行性，為后續(xù)機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化提供參考。

在國外學(xué)者關(guān)于踝關(guān)節(jié)康復(fù)儀器的研究方面，Rosado 等[25-26]提出了一種用于雙踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的被動(dòng)康復(fù)機(jī)構(gòu)，利用伺服電機(jī)對實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行控制，并自行設(shè)置軌跡參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了良好的康復(fù)功效；Jamwal等[27]主要針對以中風(fēng)患者為代表的神經(jīng)功能紊亂患者提出了一種利用氣動(dòng)肌肉執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，通過患者的實(shí)際反饋數(shù)據(jù)對控制器性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；Erdogan 等[28]設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)式外骨骼機(jī)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際需求對機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行重組，滿足緊湊及低慣量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求；Simnofske 等[29]、Kumar 等[30]設(shè)計(jì)了一種適用于踝關(guān)節(jié)的主動(dòng)康復(fù)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)有3個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對踝關(guān)節(jié)進(jìn)行多自由度的康復(fù)控制；Jamwal 等[31]通過模糊邏輯控制裝置實(shí)現(xiàn)了踝部的康復(fù)訓(xùn)練功能，該裝置可及時(shí)采集當(dāng)下患者的康復(fù)數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的研究成果可知，國內(nèi)外現(xiàn)有課題主要集中于固定式并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)儀器的設(shè)計(jì)方面，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有多元化與創(chuàng)新性，但康復(fù)裝置仍存在以下問題：① 大多為固定大型儀器，僅適合在實(shí)驗(yàn)室、康復(fù)醫(yī)院等環(huán)境中使用，不適用于居家使用；② 在設(shè)計(jì)上多為功能化設(shè)計(jì)，針對可應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品化的設(shè)計(jì)關(guān)注較少；③ 大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本較高，且不具有靈活性與便攜性。

結(jié)合國內(nèi)外康復(fù)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀可知，目前可自主移動(dòng)的便攜式踝部康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較為匱乏，為解決固定式康復(fù)設(shè)備笨重且不具有普及性的問題，本研究設(shè)計(jì)出一種可供踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的智能輪椅。該輪椅在傳統(tǒng)輪椅的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了多功能集成化，具有操作簡單、控制精度高、性能穩(wěn)定、康復(fù)效果顯著等優(yōu)勢。

但本文所設(shè)計(jì)的可供踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的智能輪椅尚存在以下不足：① 目前產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)定相關(guān)功能，但臨床試驗(yàn)的相關(guān)案例較少，后續(xù)可根據(jù)臨床試驗(yàn)的數(shù)據(jù)反饋對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化；② 由于目前所搭建的設(shè)備為初代樣機(jī)，康復(fù)機(jī)構(gòu)相關(guān)零件由工廠定制加工、組裝制成，局部結(jié)構(gòu)存在與人體腿部曲線不貼合的現(xiàn)象，后期零件加工過程中可對相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行改良；③ 產(chǎn)品樣機(jī)目前缺乏實(shí)體企業(yè)的考核與評價(jià)，后續(xù)是否能夠產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)尚缺少企業(yè)支撐。

除此之外，在大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景下，多元化的智能技術(shù)為現(xiàn)代護(hù)理學(xué)提供了極大的技術(shù)支持，國外學(xué)者康復(fù)輪椅的研究成果也主要體現(xiàn)在實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息交互等方面，這些研究課題可作為未來產(chǎn)品迭代升級(jí)的主要方向。在未來產(chǎn)品升級(jí)的過程中，本產(chǎn)品可設(shè)計(jì)搭載高清攝像頭以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并增添通信、康復(fù)信息聯(lián)網(wǎng)等功能，便于患者在緊急情況下進(jìn)行通訊與健康狀況監(jiān)測，以符合當(dāng)下數(shù)字化產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)論

綜上所述，本文結(jié)合目前國內(nèi)現(xiàn)有輪椅進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出可供術(shù)后患者、腦血栓患者和下肢殘疾人士等下肢功能障礙人群進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)的智能輔助輪椅，搭配STM32F103單片機(jī)設(shè)計(jì)控制電路，可滿足行走、升降、智能輔助等功能，提升了用戶的實(shí)際體驗(yàn)感。此外，本文基于CATIA軟件建立三維模型，結(jié)合軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)仿真分析，并結(jié)合實(shí)體樣機(jī)測試驗(yàn)證了產(chǎn)品的安全性與可行性。在未來產(chǎn)品迭代升級(jí)中，可增添通信、信息傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能模塊，以完善產(chǎn)品對數(shù)字智能化的需求。由于目前市面上踝關(guān)節(jié)康復(fù)式智能輪椅設(shè)計(jì)較少，本研究具有良好的應(yīng)用前景，可為業(yè)內(nèi)康復(fù)輪椅的后續(xù)發(fā)展提供參考。