脑瘫儿四肢康复训练椅结构设计分析

朱其瑞，张玉峰，李养鑫，吴东军，毕帅男，周睿杰，尤赛赛

(北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021)

脑性瘫痪(简称脑瘫)是小儿时期常见的中枢神经障碍综合症.病变部位在脑、肋及四肢，主要表现为运动障碍和姿势异常[1].据世界卫生组织权威机构统计分析：全球脑瘫患儿超过1 000万，儿童脑瘫发病率达2.7‰，而且我国现有脑瘫患儿500多万，发病率为 1.2%～2.7%，每年新增脑瘫患儿3～5万[2].相比而言，康复训练较为保守可靠，故而康复训练成为脑瘫儿康复治疗的最主要的手段之一[3,4].

本文提出了一套融合多种康复训炼于一体的设计方案，主要设计了辅助站立、辅助行走、辅助进食等功能模块.同时，为提高机构运动的可靠性，避免机构工作出现共振等现象危害患者安全，本文利用Solidworks建立的简化模型，通过理论分析确定各结构设计参数，指导结构优化设计，提高产品的安全特性.

1　康复医疗椅总体设计

本设计充分考虑脑瘫儿的实际康复需求，设计了集辅助站立机构、辅助行走机构、辅助进食机构为一体的多功能脑瘫儿四肢康复医疗椅.本产品具有以下特点：整体尺寸适中，结构紧凑，便于移动，适合家庭使用；功能齐全、模块化设计，可以根据患儿的不同需求选择不同的模块进行组装；操作简单，易于控制，具有自动化功能.

本设计是一款模拟人的站立、行走、进食等动作，辅助脑瘫儿进行四肢康复性锻炼的新型康复训练机械，包括辅助站立训练单元、辅助行走训练单元、辅助进食训练单元等功能模块以及支架、车轮、护具、桌子等部件，具体结构如图1所示.

图1　康复医疗椅整体结构

2　康复医疗椅各部分结构设计

2.1　辅助站立训练单元结构设计及参数

2.1.1结构设计

采用平行四杆机构原理，通过平行四边形杆机构来完成坐椅的翻转，从而辅助患儿直立.如图2所示，将座椅竖直面(面O1O2O4O3)进行固定，通过电动缸的推动，带动座椅的翻转，且保证整个翻转过程中座椅靠背竖直提升，实现了辅助患儿完成站立过程[5].

图2　辅助站立结构原理图

如图3所示为辅助站立模块结构图，本设计充分考虑了脑瘫儿四肢变形、不能随意动等特点，在靠背处设计了护肩和护带，保证了病人在站立过程中能固定上身，提高了站立运动过程中的安全可靠性.

图3　辅助站立模块结构图

2.1.2设计参数

由全国未成年人人体尺寸测量关于儿童身高体重等参数的部分调查数据[6]，我们得出现阶段2～7岁儿童的人体结构尺寸具体参数如表1、表2为我国儿童坐姿人体尺寸，表3为辅助站立机构设计参数.

表1　人体主要尺寸

表2　坐姿人体尺寸 　单位：cm

表3　辅助站立机构设计参数

2.2　辅助行走训练单元结构设计及参数

2.2.1结构设计

这一单元主要是通过不断模仿人的行走过程，训练患儿的腿部肌肉[7]，以减轻其痉挛症状，并且通过调节步进电机转速及启停时序，调整适合患儿训练时的踏步速度，实现适合患者病情的踏步训练，最终达到患儿自主行走的目的[8,9].

辅助行走机构采用曲柄摇杆机构原理，通过设计该机构各杆的尺寸来最大程度上模拟人行走的过程.如图4所示，AB杆长130 mm，BC杆长640 mm，CD杆长300 mm.通过步进电机带动曲柄AB，驱动踏板以人行走的轨迹运动(如图中P点的轨迹)，如图5所示为辅助行走模块结构图.

图4　辅助行走结构原理图

图5　辅助行走模块结构图

2.2.2设计参数

在传动过程中我们通过平行四杆机构辅助儿童进行站立，具体结构如图6所示.

图6　平行四杆机构原理图

通过结构的设计尺寸，分析在患者进行辅助站立时的参数，AB=CD=144 mm,AD=BC=440 mm.又因为在站立过程中，为了保持儿童在站立时的平稳性，保证安全，由研究调查得出当儿童以大小为16 mm/s的速度进行提升站立时最为可靠[10,11].由图可知当通过电推杆推动双四杆机构到达极限外置时，杆夹角φ=72°.

(1)

(2)

f2=1+a2-2cosφ

(3)

M=K2-2acosφ

(4)

K=1+a2+c2-b2

(5)

b=AB=CD=144 mm,a=c=AD=BC=440 mm.

2.3　辅助进食单元的结构设计

辅助进食单元主要通过螺旋升降机构驱动护臂[12]，使护臂在空间内两点之间移动，实现手部的摇摆、弯曲运动，达到手部移动训练的目的[13].

螺旋升降机构是一个较为复杂的运动构件，涉及到两个平面运动耦合成空间曲线运动，其运动原理图如图7所示.在XOY平面上，摆臂电动缸伸缩，驱动杆AC绕A点在XOY平面上转动，且通过杆AC限制杆CE在X方向和Y方向上的自由度，从而实现点E与点C之间的同步运动，从而实现手的摇摆动作.同理，在FEC平面上，弯曲电动缸伸缩，驱动E点绕F点转动，实现手的弯曲过程.当弯曲电动缸、摆臂电动缸同时动作时，E点将实现手的摇摆和弯曲的耦合运动，从而到达模拟人进食的动作，如图8所示为辅助进食模块结构图.

图7　脑瘫儿四肢康复训练椅结构设计分析

图8　辅助进食模块结构图

2.4　其他结构设计

2.4.1护理机支撑骨架设计

支撑骨架为减轻整机重量，主要采用不锈钢圆管、不锈钢槽钢以及Q235的U形钢板焊接而成，不锈钢圆管直径为25 mm，槽钢尺寸为：30 mm×30 mm×35 mm，方形钢板尺寸为：350 mm×100 mmm×70 mm，整体尺寸为：1 253 mm×550 mm×700 mm，其结构如图9所示.

图9　护理机支撑骨架

2.4.2刹车机构

刹车主要由刹车手柄、刹车连杆、刹车齿杆以及刹车支撑板组成，主要是巧妙地运用了四杆机构的死点，当手柄掰到使两根杆在同一直线上时，只要齿杆顶住车胎，则四杆机构就会卡死，可以达到刹车的目的，其三维效果如图10所示.

图10　刹车机构三维原理图

2.4.3休息靠椅单元机构的设计

休息靠椅单元是将靠椅通过气弹簧的伸缩来实现靠椅的竖立与斜躺过程的应用单元.通过这个单元进而缓解疲劳.

2.4.4电源的选用

考虑到护理椅本身尺寸是有限的，最大长宽高不能超过300 mm×140 mm×300 mm范围，以及相应电机、电推杆所需电压最大为48 V和设计本身要求移动电源，所以选用48 V铅酸蓄电池，外形尺寸：长151 mm宽98 mm高94 mm，并且可持续供电16 h，符合设计要求.

2.4.5脑瘫儿童医疗康复椅三维模型及实物图对比

通过对辅助站立结构、辅助行走结构、辅助进食结构、护理机支撑骨架、刹车机构、休息靠椅单元机构等一系列结构的设计与参数的计算最终绘制出如图11所示的三维模型，并且对其进行了实物的制作，如图12所示.

图11　三维模型

图12　实物图

3　结　　论

本文设计了一款集辅助站立、辅助行走及辅助进食等多功能脑瘫儿四肢康复医疗椅，可实现脑瘫儿辅助站立、辅助行走集辅助进食等康复性训炼；且建立了solidworks三维简化模型，通过理论知识分析了各机构设计参数，得出如下结论：

(1)采用模块化设计可以根据实际需求进行功能设定，具有使用灵活，适应范围广的优点，并能够有针对性的完成康复训练.

(2)优化座椅靠背、辅助进食机构等部件的结构设计，改变其固有频率，从而避免共振及噪声对病人的影响.

(3)通过理论分析设计参数，使脑瘫儿童康复训练椅更加适用，更加安全可靠.

参考文献：

[1]吴云,小儿脑性瘫痪的发病机制及诊治进展[J].安徽医学,2011,32(6)：859-862.

[2]王和平.脑瘫儿童入学前治疗、康复训练和教育状况调查[J].中国特殊教育,2005(6).

[3]张蕾.中药熏蒸治疗不随意运动型小儿脑瘫的临床观察[J].光明医药,2009,24(3)：484-485.

[4]高宝琴,王桂芬.A型肉毒毒素联合自家康复训练治疗痉挛型脑瘫[J].首都医科大学学报,2009,30(2)：235-238.

[5]王志强,姜洪源,Roman Kamnik.康复机器人辅助站立人体质心动量测试及模拟[J].吉林大学学报：工学版,2015.5

[6]陈祖训,张玮.1～7岁儿童身高体重调查分析[J].现代医学卫生,2003(19).

[7]武广斌，郑永永.气体双体人工肌肉结构及力学特性分析[J].吉林化工学院，2016(3)：53-03.

[8]李海华,孙颖,吕洋,等.脑性瘫痪患儿步行速度的相关因素[J].实用儿科临床杂志,2010,25(23)：1831-1832.

[9]唐矫燕.两只辅助行走机器人步态控制[J].上海电机学院院报,2014.

[10] 王洪波,张秋丽,运动疗法在小儿脑瘫早期治疗中的效果[J].宁夏医学杂志,2009,31(6)：555-557.

[11] 陈庆亮,壬小燕,曾丽云,等.“平衡”性疗育改善痉挛型脑瘫患儿粗大运动功能的效果[J].中国康复医学杂志,2010,25(4)：350-352.

[12] 郑永永,武广斌,刘荣辉.有效长度对单向弯曲柔性关节静力学性能的影响[J].吉林化工学院学报,2016(9)：21-23+73.

[13] 谢欣平,等.考虑负载影响的阶梯形超声变幅杆动力特性[J].振动与冲击,2012(31)：157-161.