基于计算机辅助三维交互式应用的肢体康复器械研究

贾晓丽，孙江宏，刘相权，王茂

基于计算机辅助三维交互式应用的肢体康复器械研究

贾晓丽，孙江宏，刘相权，王茂

[摘要]目的基于计算机辅助三维交互式应用(CATIA)的人机分析模块对肢体康复器械进行上下肢姿态仿真与评估。方法以第95百分位中国男性为标准，在CATIA中对构建的上下肢康复器械引入三维人体模型，建立虚拟人机关系，模拟人在使用上下肢康复器械过程中的姿态并进行评估。结果人体模型上下肢在均伸展域范围内，且得分≥90分，处于舒适状态；人体各部位的受力均在受力极限之内，各部位的受力力矩均在力矩极限范围内；快速上肢评价中，手臂拉力在各种情况下均为3～5分，康复器械可以接受。结论通过对人体模型上下肢伸展域分析、人体姿态评估、快速上肢评价、生物力学分析等，可得出指导性力学数据，为康复器械优化提供科学的依据与方法。

[关键词]计算机辅助三维交互式应用；康复器械；上肢；下肢；仿真分析；优化

[本文著录格式]贾晓丽，孙江宏，刘相权，等.基于计算机辅助三维交互式应用的肢体康复器械研究[J].中国康复理论与实践, 2015, 21(9): 1103-1109.

CITEDAS: Jia XL, Sun JH, Liu XQ, et al. Research on limb rehabilitation equipment based on Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application [J]. Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian, 2015, 21(9): 1103-1109.

随着人口老龄化以及疾病和灾难导致的肢体运动障碍患者越来越多，康复医学和机械学结合的康复器械技术渐渐成为国内外研究的热点，出现了大量肢体康复器械。德国Medical公司设计出THERA-Vital智能康复训练器，具有多种训练模式，可根据患者的损伤程度选择合适的训练模式[1]；瑞士苏黎世联邦理工大学研究的Lokomat康复训练系统是借助外界装置支撑人体的部分重量，然后借助外力进行下肢康复训练[2- 3]。目前国内基于计算机辅助三维交互式应用(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application, CATIA)的人机工程设计模块广泛应用于通用器械，尤其是汽车座椅舒适性以及评估人的视野范围等。比如，同济大学苏国霞等利用CATIA人机工程模块模拟人体在汽车中的坐姿，并对人体舒适性和安全性进行评估，促进了汽车人性化设计[4]。长安大学赵红芬等通过CATIA人机工程学模块，分析大型客车驾驶室内人员手的伸及性以及视野范围，研究出导致驾驶员容易疲劳的原因[5-6]。基于CATIA的人机工程设计模块应用于康复器械很少，且大多是分析人在使用康复器械过程中的姿态，很少对人体进行生物力学分析以及快速上肢评价分析。燕山大学侯慧娜等基于CATIA人机工程模块建立虚拟人机模型，对上下肢训练时训练器高度可调范围和曲柄长度能否满足要求做了评估，分析了座椅与训练器之间距离以及其高度变化对肢体舒适度的影响，没有深入探索人体肌肉关节的受力情况以及进一步优化康复器械[7-8]。山西理工大学郭晶晶等运用CATIA人机分析模块对下肢康复器械进行姿态分析和运动分析，对作业空间做系统评估，得到使用者在使用状态中肌肉关节的受力数据，但未对下肢姿态评估与优化康复器械之间的关系做进一步分析[9-11]。

本文在现有康复器械研究成果[12-13]的基础上，基于CATIA的人机分析模块，在设计完成的上下肢康复器械成果中引入三维人体模型，建立虚拟人机关系，模拟人在使用上下肢康复器械过程中的姿态，对姿态进行评估，并进行生物力学分析和快速上肢评价，得出指导性力学数据，以为康复器械优化提供科学依据，提高设计效率，避免实物样机临床验证后多次修改等缺点，缩短开发周期。

1　资料与方法

1.1肢体康复器械

基于人机工程学理念，设计完成上下肢康复器械[12-13](图1)。该康复器械使患者能够同时或分别进行上肢和下肢康复训练。

图1　上下肢康复器械结构

其工作原理如下：当患者采用手部训练模式训练时，给手部离合器加电，使手部离合器吸合，此时松开脚部离合器，组成手部传动系统；当需要采用脚部训练模式训练时，把脚部离合器吸合，同时松开手部离合器，组成脚部传动系统。

在患者训练过程中，被动运动和主动运动功能实现智能控制，转换信号为患者主动用力。被动运动时，电机提供拖动力，拖动系统传动机构和患者肢体运动，此时电机起到助力作用。当检测到患者主动用力时，系统由被动运动转换到主动运动。主动运动时，患者需要克服系统阻力和电机阻力进行运动，通过传动部件传给电机，此时电机起到阻力作用。当检测到患者主动用力结束，实现由主动状态向被动状态转化。转换过程中系统阻力和系统速度平缓连续变化。

1.2人体尺寸

康复器械是以大批量和机械化为条件，为满足大多数肢体残疾人的需要而进行的创造性活动[14]，相关尺寸必须与人的生理、心理特点相匹配[15]。GB10000-1998《中国成年人人体尺寸》被广泛用于产品尺寸确定的主要依据，但该标准提供的数据是在1983年～1988年测得的[16]。随着时代的进步和人们生活水平的日益提高，许多尺寸已无法满足现代产品设计的需要。人机工程学中给出了确定产品尺寸的步骤[17]：①确定产品类型；②选择百分位数；③确定尺寸修正量；④设定功能尺寸。最常用的是P5、P50和P95。P95表示95%人群身材尺寸均小于此值，而有5%人群身材尺寸大于此值[18-20]。参考GB10000-1998及人机工程技术标准，根据人体的站姿以及对应的尺寸，再依照产品功能特性，确定产品设计尺寸依据，加上尺寸修正量[21-22]，最终确定人体尺寸。

本次课题所研究的产品是上下肢康复器械产品，属于成年男女通用Ⅰ型、ⅡA型、ⅡB型，在产品的尺寸设计中引用P95男性人群数据，并加入修正量。

1.3方法

1.3.1建立人体模型

在CATIA的人体模型构造(Human Builder, HBR)模块中，以人体站姿尺寸(表1)，建立人体模型(图2)。

1.3.2建立人机模型

人体模型建立后，在CATIA中导入上下肢康复器械，调整人体姿态，建立人机模型。调整姿态的过程中打开干涉检验和终止干涉，当人体模型与康复器械出现干涉现象时出现提醒标志，以便及时调整姿势。图3是左右上肢分别处于最高最低位置时的姿态。

1.3.3确定上下肢伸展域

根据表1，确定肩部到旋转手柄之间的距离≤617 mm，座椅到踏板之间的距离≤942 mm。

表1　中国成年人各百分位的人体尺寸

1.3.4人体姿态编辑

在CATIA中，人体运动有3个自由度(degree of freedom, DOF)，其中DOF1 (flexion/extension)是屈伸运动，运动轴为横轴(transversal axis)；DOF2(abduction/adduction)是外展/内收运动，运动轴是纵轴(sagittal axis)；DOF3 (medial rotation/lateral rotation)是内旋/外旋运动，运动轴为冠状轴(coronal axis)[23]。分别在这3个自由度下对人体各部位进行角度编辑，实现人体姿态编辑。

在CATIA的人体姿态分析(Human Posture Analysis, HPA)模块中，首先对人体模型右前臂进行角度编辑，系统显示默认DOF1下右前臂活动范围，并自动提供最佳视角，可以根据需要对部位的活动范围进行修改。编辑前臂在DOF1范围为0～150°，划分为3个区域：最舒适区域1、次舒适区域2和不舒适区域3，分别对应评分95、85和75(图4)。编辑小腿在DOF1范围为0～135°，划分最舒适区域1、次舒适区域2和不舒适区域3，对应评分95、85和75(图5)。依此，对上下肢各自由度的活动范围分别进行编辑并划分舒适区域。

图2　 CATIA环境下的人体模型

图3　 CATIA环境下的人机模型

图4　上肢活动区域编辑

图5　下肢活动区域编辑

1.3.5人体姿态评估

根据编辑的人体上下肢各部位各自由度的最佳角度，以及对应的分数，可进行该姿态的评估。在CATIA的HPA模块中，由人体模型姿态评估分析(Postural Score Analysis)对话框可得到上下肢各部位的舒适度表，给出各部位各自由度上的舒适度和平均舒适度，通过这些数据与舒适性数据库中的标准比较，可以确定人体是否处于舒适状态。

1.3.6生物力学分析

在CATIA的人体行为分析(Human Activity Analysis, HAA)模块中，由生物力学动作分析(Biomechanics Action Analysis)对话框可以测量当前姿态中生物力学数据，分别测量当前状态下的关节受力、反作用力和力矩。

1.3.7快速上肢评价

在CATIA的HAA模块中，可获得快速上肢评价(Rapid Upper Limb Assessment, RULA)对话框。根据活动数量、静态工作、力、工作姿势以及频率等因素的不同，结果1～7分，分数越高越需要改良。图6为左上肢负载情况以及各个关节的详细得分。根据评价结果可以得出当前姿态是否需要改变，以及需要改变的部位。

图6　上肢伸展域

1.3.8姿态优化

在CATIA的HAA模块中，根据已编辑的最优姿态角度范围，进入优化角度界限(Options the Angular Limitations according to the Best Preferred Angles)界面，系统自动将各个部位优化到最佳角度。

2　结果

2.1上下肢伸展域

在人体上下肢运动到最远最近处、最高最低处进行伸展域分析。结果见图6、图7。

2.2人体姿态评估

图7　下肢伸展域

对上下肢处于最远最近、最低最高以及中间位置做姿态评估，结果显示，多数情况下姿态处于舒适状态、次舒适状态。见表2、表3。

2.3生物力学分析

通过对人体上肢处于中间位置、最高/最低位置和最远/最近位置进行生物力学分析，结果见表4。

2.4RULA

左上肢和右上肢分别处于最近/最远以及最高/最低处测得的受力情况以及姿态评分见表5、表6。

2.5姿态优化

姿态优化结果如图8所示。

表2　上肢各位置下的姿态评价

表3　下肢各位置下的姿态评价

表4　上肢不同位置下各关节生物力学分析

表5　左上肢高低/远近位置下RULA评分

表6　右上肢高低/远近位置下RULA评分

图8　姿态优化

3　讨论

上下肢伸展域就是上肢和下肢的活动范围。如果检测到上下肢都在这个范围内，则说明康复器械合理；如果上下肢有某部分超出该范围，则康复器械需改进。本研究显示，人体模型上下肢极限位置都处于上下肢伸展域范围内，该康复器械设计合理。

姿态评估功能是通过设定人体参与运动重要部位的首选角度，对正在编辑的人体模型姿态进行定量分析，用姿态舒适度表示[24]，方便设计者比较。简单来说，就是在HPA模块中，根据人体模型设置的最优角度，有针对性地建立舒适度数据库和强度数据库；然后通过HAA模块中的工具和方法，预测人的行为，对产品进行全面的人机互动分析，增大产品的舒适性与安全性要求。本研究显示，上肢除了DOF3评分< 80分外，其余都在90分以上，说明上肢在整个运动过程中处于舒适状态，该康复器械可以接受。DOF3评分低，这说明在内旋和外旋运动方面有欠缺，在后续康复器械优化中应加强这方面改进。另外，左上肢和右上肢得分基本相当，说明这款康复器械适合左右上肢同时进行康复训练。下肢在3个自由度下，在各个位置都处于舒适状态，训练效果最佳，即康复器械下肢康复训练设计合理。

后续的研究方向是进行动态评估。目前由于CATIA软件的功能限制[25]，可以运用其他软件进行动态评估。如徐平等基于Jack软件平台，从人机联合优化角度提高作业的舒适性[26]；张德进等基于RAMSIS平台，随人机耦合进行舒适性评价，并根据评价结果进行产品的设计迭代[27]。

姿态分析是对人体是否舒适做出评价，还不足以分析人体具体舒适状态。生物力学分析采用人体行为分析这种典型数据分析，模拟人体在某一个动作中各个关节受力情况以及力矩，对人体舒适程度进行详细解释。本研究显示，人体模型在运动过程中，脊椎受力在压力极限内，满足人体舒适感要求；上肢处于最远/最近位置时，脊椎压力要远远大于其他位置的压力，符合人体在不同姿态下，所受压力不同；左右肘及左右肩在不同姿态下受力相差不大，是因为人体在运动过程中，这两个部位位置基本保持不变；左手腕在最远处受力最大，符合人体正常运动趋势。

快速上肢评价分析在一定负荷下上肢运动的某个姿态是否可以接受，并给出该状态下有关人机工程的评价[23]。评价结果分为4个等级：1～2分可接受(Acceptable)，表示如果不是长期维持或重复此姿势，则该姿势是可以接受的；3～4分需改进(Investigate further)，表示需要进一步研究，该姿势可能需要改变；5～6分尽快改进(Investigate further and change soon)，表示要尽快研究和改变姿势；7分立即改进(Investigation and change immediately)，表示要立即研究并改变姿势。本研究显示，上肢在静止状态下极限负荷2 kg，但是运动状态下极限负荷可以增加；从整体来看，男性在极限位置上，在极限负荷内评分多数为3～ 4分，可以达到要求，但应进一步优化；在极限位置上，其他条件相同，平衡性较差，说明在极限位置时应适当调整坐姿，防止摔倒；可根据RULA表提供具体部位受力大小，适当调整姿势。总体来说，人的姿态是处于舒适状态，该康复器械可以接受。

姿态优化是人体某部位的最佳运动范围与所编辑的最佳角度范围(即姿态评估分值最高的范围)一致，根据这个理念来优化康复器械。可以根据优化后的人体姿态各个部位的位置，优化康复器械结构及尺寸。如右上肢在当前姿态下最舒适，设计的康复器械手柄与人体上肢之间的距离应处于这一范围内。该方法为康复器械的设计与优化提供了理论依据，相比于传统的先设计产品，再临床实验，再根据实验结果修改产品的流程，提高了设计效率，降低了成本。但在康复器械优化的过程中，对舒适性的评价仅从生理角度考虑，而忽略心理方面的因素[28-29]。未来的研究方向是结合生理和心理方面，综合考虑康复器械的优化[30-31]。

综上所述，基于CATIA的人机分析模块，在康复器械成果中引入三维人体模型，建立虚拟人机关系，模拟人在使用康复器械过程中的姿态，对姿态进行评估，得出指导性力学数据。这种方法可为康复器械优化提供科学依据，有助于设计效率的提高，避免实物样机临床验证后多次修改等缺点，缩短开发周期。

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Research on Limb Rehabilitation Equipment Based on Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application

JIA Xiao-li, SUN Jiang-hong, LIU Xiang-quan, WANG Mao
Electrical and Mechanical School, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China

Abstract:Objective To simulate and evaluate the upper and lower limbs posture on rehabilitation devices training with the Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application (CATIA) man-machine analysis module. Methods The human body sizes were determined as the 95th percentile Chinese men. Based on the ergonomics analysis of CATIA, three-dimensional human body was constructed in the upper and lower limbs rehabilitation equipment. Virtual human relationship was established. The attitude of the upper and lower limbs in rehabilitation equipment was simulated and evaluated. Results The human limbs model moved in the normal range and the scores were more than 90 which meant comfortable. The forces of various parts of the body was under the stress limit, as well as the force moment. The arm tension was 3-5 points with the rapid upper limb assessment, which meant the rehabilitation equipment was acceptable. Conclusion Rehabilitation robot may be optimized through the model of the human upper extremity stretch domain analysis, body posture assessment, rapid upper limb assessment and biomechanical analysis under CATIA.

Key words:Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application; rehabilitation equipment; upper limbs; lower limbs; simulation analysis; optimization

(收稿日期：2015-05-08修回日期：2015-06-16)

作者简介：作者单位：北京信息科技大学机电工程学院，北京市100192。贾晓丽(1988-)，女，汉族，河北邯郸市人，硕士研究生，主要研究方向：康复工程。通讯作者：孙江宏(1971-)，男，汉族，黑龙江伊春市人，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向：康复工程，机械设计及理论。E-mail: sunjh99@bistu.edu.cn。

基金项目：1. 2015年北京市留学人员科技活动择优资助项目；2.北京市教育委员科技计划资助项目(No.KM201411232002)。

DOI:10.3969/j.issn.1006-9771.2015.09.026

[中图分类号]TH122

[文献标识码]A

[文章编号]1006-9771(2015)09-1103-07