基于TRIZ理论的娱乐康复训练器设计

国秀丽 吴静松 吴贵军

（安阳工学院，河南 安阳 455000）

0 引言

我国是人口大国，且人口老龄化结构日趋明显，脑卒中、脑外伤患者的比例明显增加，脑组织损伤是无法逆转的，致残、致死率高，大部分患者存在运动功能障碍、走路失稳、记忆力减退等症状，严重时甚至出现肌无力、不能自主运动，导致长期卧床，严重影响生活质量。通过康复运动训练来促进神经发育和代偿，从而改善和恢复上肢的运动功能，使患者能独立生活［1］。康复训练是一个周期长、起效慢、枯燥乏味的治疗过程，往往一个康复动作要患者重复进行数以万计的强化训练，患者有可能产生对生活看不到希望、孤独、焦虑、抑郁等负面情绪。在康复训练过程中引入娱乐功能是目前康复训练器械领域比较关注的问题，利用娱乐功能提高患者的康复热情，让患者主动参与其中，能明显提高患者的康复效果。

1 TRIZ理论

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）是俄文中发明问题解决理论的词头，是由前苏联科学家根里奇·阿奇舒勒及其组建的研究团队，自1946年开始，花费了大量的人力物力，所提出的发明问题解决理论。由于其特有的39个特征、40个发明原理和矛盾矩阵等解决问题的方法，被广泛应用于微电子、化学、生物学、社会学、食品、商业等领域，为人们遇到的纷繁复杂、干扰因素较多，且毫无头绪的问题指明了解决方向。尤其是在万众创业、全民创新的时代，TRIZ理论为创新创业人员开拓了思路，打破思维定式，为创新创业人员提供一套系统的、科学解决问题的方案。

2 TRIZ理论的娱乐康复训练器设计

患者要实现肢体运动功能、解决生活自理问题是最基本需求，而这对一些重度偏瘫的患者来说可能是一种奢求，如何通过康复器械来代替康复医师进行重复的康复训练过程，就要对康复医学、机械工程、控制工程进行交叉融合。同时，将TRIZ理论融入康复器械设计中，找到设计问题的最优解［2］，提高患者在康复运动过程中的舒适性，进一步提高康复效果。

大部分肢体运动功能障碍的患者是一侧肢体运动受限，通过一侧肢体带动另一侧肢体进行康复训练，患者能感知被牵引侧的牵引力量过大时引起的疼痛及在康复训练过程中出现的痉挛等情况，患者会主动控制运动侧，安全系数高，从患者康复医学运动的康复效果、实现双侧运动的机械结构、娱乐功能控制的便利等角度出发，设计出双侧上肢同步训练的娱乐功能康复训练器，其结构原理如图1所示。

从图1可以看出，患者同步前推两侧手柄，两侧手柄通过一根杆进行连接，从而带动齿轮转动，平移杆后侧的齿条与齿轮啮合，平移杆向后移动，撞击杆上的弹簧被压缩，患者松开手柄后，撞击杆撞击发射筒内的圆球，圆球弹出，弹簧复位，球箱内的圆球掉落在发射筒内，从而完成一次圆球撞击发射，患者在娱乐的同时，也能进行康复运动训练。

图1 娱乐康复训练器结构原理图

在实现一侧上肢带动另一侧上肢前后移动时，在患者松开双手后，压缩后的弹簧在恢复力的作用下，带动撞击杆撞击圆球，而此时手柄也会跟着撞击杆向前快速摆动，很容易打伤患者的上肢，从而对患者造成伤害，其安全性差。要解决该问题，就要确保患者在松开手柄时，手柄不会打伤患者。在手柄下端转动支点处加装阻尼控制装置，当患者松开手柄或手柄接近患者上肢位置时，手柄回弹速度被限制，不至于打伤患者。而在撞击圆球时，手柄速度不受限制，加装阻尼控制装置后，在不同位置提供不同阻尼，必然会增加系统的复杂性，而在位置检测时，要提高阻尼控制装置的加工精度。

从以上分析可以看出，要提高患者在使用过程中的安全性，即减少物体产生的有害因素，同时要实现防止患者受伤的自动化控制，将加装阻尼控制装置的娱乐康复训练器的技术矛盾问题转换为TRIZ语言，使用TRIZ理论中的阿奇舒勒矛盾矩阵来定义技术矛盾，从而得到有效解［3］。

在上述方案中，采用39个通用技术参数即可将问题转换成需要改善的参数［4］，即物体产生的有害因素、自动化程度，产生恶化的参数是制造精度、系统的复杂性，这四个参数之间的矛盾产生的矛盾矩阵如表1所示。

表1 娱乐康复训练器的矛盾矩阵

由表1的矛盾矩阵可知，产生推荐的发明原理分别为1分割原理、4增加不对称性原理、15动态特性原理、17空间维数变化原理、18机械振动原理、19周期性作用原理、23反馈原理、24借助中介物原理、26复制原理、28机械系统替代、34抛弃或再生原理。

TRIZ矛盾矩阵给出了11项推荐原理，为问题的有效解提供了方向，本研究采用1分割原理对该设计方案中的问题进行求解，将滑动杆与撞击杆间的固定连接分割开，采用齿轮、棘齿、偏心轮机构进行钩接。在手柄推动到前侧时，滑动杆与撞击杆钩接结构动作，手柄向后拉动时，带动撞击杆向后移动，手柄停在任何位置松开时，弹簧在恢复力的作用下，滑动杆与撞击杆采用钩接方式进行连接，齿轮、棘齿、偏心轮采用钩接方式进行分离，立体效果图如图2到图4所示。

图2 娱乐康复训练器模型图

图4 齿轮脱离机构

3 结语

随着我国人口老龄化日趋明显，脑卒中、脑外伤引起的运动功能障碍患者数量在逐年增加，通过娱乐功能的康复训练装置来提高患者的康复热情是一种提高患者自理能力的手段，本研究设计出的娱乐击球双侧同步上肢康复训练器，是根据康复训练器结构在患者康复训练过程中遇到的问题，得出恶化参数和改善参数间的矛盾矩阵，利用TRIZ矛盾矩阵得出11个有效解，根据推荐原理，最终选择分割原理，即滑动杆与撞击杆采用钩接的方式连接，齿轮、棘齿、偏心轮采用钩接结构进行结构的分离，从而实现患者在任何位置松开手柄，手柄都不会打伤患者，且满足弹射击球的设计要求。

图3 偏心轮脱离机构