主被動康復訓練機的設計與分析

劉鵬輝，張光南

（寶雞文理學院計算機科學系，陜西寶雞 721000）

隨著我國老齡化地加劇和各種因素的影響，偏癱患者呈現逐年上升趨勢，因而開發偏癱康復設備具有重要的意義。傳統的康復訓練是由治療師握住患者受損肢體，輔助患者做各種動作，維持患者肢體的活動范圍，并促進運動功能的早日康復。傳統訓練方式存在很多的問題，如訓練效率和訓練強度難以保證，訓練效果受到治療師水平的影響。近年來國內外也相繼開發出一些偏癱康復訓練設備，如美國密歇根大學研究的下肢康復機器人，實現了肢體的阻抗控制訓練［1］。國內哈爾濱工程大學機電一體化實驗室開發的一種下肢康復訓練機器人，可以通過模擬正常人行走的運動軌跡來對患者進行訓練［2］。然而由于缺乏對偏癱患者訓練模式的深入系統研究，患者往往由于力量不足得不到有效鍛煉，或因用力過大損傷肌肉，造成對身體的不良后果。基于此，本文設計了一種主被動康復訓練機，患者可以有效地進行主動或被動式訓練。文章利用ANSYS WORKBENCH有限元協同平臺對主被動康復訓練機的強度和剛度進行了力學計算，符合安全要求，設計的主被動康復訓練機對于發展康復事業具有重要的意義。

1 主被動康復訓練機結構

圖1 主被動康復訓練機

根據偏癱患者自身特點和訓練模式需要，結合人機工程學設計了如圖1所示的主被動康復訓練機，主要由絲桿螺母傳動機構、手部訓練機構、腳部訓練機構、座椅旋轉裝置、座椅升降裝置、底架組件、支架組件、重物等組成。絲桿螺母傳動機構由電動機驅動皮帶，從而帶動絲桿旋轉使安裝在螺母兩邊的滾輪沿導軌平移。手部訓練機構主要是雙手拉動拉環使繩子沿著裝在支架組件上的滑輪機構拉動重物上升或下降。座椅升降裝置主要采用電動推桿推動升降立柱進行座椅上升或下降，座椅旋轉裝置主要靠座椅面與后背之間的旋轉桿實現座椅的角度調節。腳部訓練機構主要是雙腳在腳踏上用力使腳部沿其轉軸進行一定角度旋轉，從而腳踏兩端的繩子通過滑輪組件帶動重物上升或下降。

主被動康復訓練機的基本工作原理為當偏癱患者手部力量大于重物質量時，患者通過拉動拉環帶動繩子沿著滑輪組件提升重物上升或下降，完成主動康復訓練。當偏癱患者手部力量小于重物質量時，手部力量拉不動重物，此時電動機驅動皮帶從而帶動絲桿旋轉使安裝在螺母兩端滾輪帶動繩子上的擋塊提升重物，此時患者只需拉著拉環用很小的力量就完成了訓練，實現了被動康復訓練。腳部康復訓練工作原理與手部訓練類似。設計的主被動康復訓練機，適應了偏癱患者康復訓練的需求，體現了人性化的特點，有利于保證偏癱患者的安全性和不易造成肌肉損傷等。

2 主被動康復訓練機的力學分析

2.1 ANSYS WORKBENCH有限元協同平臺

ANSYS WORKBENCH有限元協同平臺是通過對產品研發流程中仿真環境的開發與實施，搭建一個具有自主知識產權、集成多學科異構CAE技術的仿真系統。以產品數據管理PDM為核心，組建一個基于網絡的產品研制虛擬仿真團隊，基于產品數字虛擬樣機，實現產品研制的并行仿真和異地仿真。所有與仿真工作相關的人、技術、數據在這個統一環境中協同工作，各類數據之間的交流、通訊和共享皆可在這個環境中完成。

2.2 主被動訓練機有限元模型

考慮到設計的主被動康復訓練機能夠在強度和剛度上滿足偏癱患者使用要求，本文通過在PRO/E下建立三維整體模型后轉換為 igs格式導入到ANSYS WORKBENCH協同平臺中，主被動康復訓練機支撐組件均采用45鋼材料，密度 7.8 ×10－9t/mm3，彈性模量 2.05 ×105MPa，泊松比0.28。考慮到實際使用要求，材料模型選取線彈性模型，劃分后的主被動康復訓練機有限元模型如圖2所示。

圖2 主被動訓練機有限元模型

2.3 主被動訓練機接觸及邊界處理

根據實際工況限制了底架組件與地面接觸支撐件的x，y，z方向平移自由度。載荷施加為座椅面上按照980 N力施加，手拉伸按照5 kg力施加。由于主被動康復訓練機的構件比較多，零部件之間采用焊接或螺栓連接，在ANSYS WORKBENCH有限元協同平臺下其接觸設定為Bonded接觸，所產生的接觸對如圖3所示。

圖3 主被動康復訓練機接觸對

3 主被動康復訓練機的力學計算結果

3.1 主被動康復訓練機MISE分布

圖4為偏癱患者以最大載荷使用主被動康復訓練機時的MISE分布，從圖4可以看出偏癱患者手部訓練時設計的主被動康復訓練機機械結構MISE分布不均勻，最大MISE出現在支架組件與底架組件連接的地方，最大MISE值為102.1 MPa，最大MISE值沒有超過45鋼材料的屈服極限，因而設計的主被動康復訓練機結構是安全的，符合偏癱患者使用要求。

圖4 主被動康復訓練機MISE分布

3.2 主被動康復訓練機應變分布

圖5是主被動康復訓練機受載后的應變分布圖，從圖5中可以看出應變最大值為0.000 502 27，最大應變值仍出現在支架組件與底架組件連接的部位，應變分布整體看基本均勻，其值也說明了主被動康復訓練機在使用過程中剛度是足夠的，符合安全要求。

圖5 主被動康復訓練機應變分布

4 結語

1）本文設計的主被動康復訓練機對于偏癱患者康復訓練具有一定的實用價值;

2）ANSYS WORKBERNCH仿真平臺為主被動康復訓練機性能提供了有利的工具，分析過程貼近實際;

3）本文分析結果所得到的主被動康復訓練機應力場及應變場可為設計提供可靠地理論依據。

［1］Simon AM，Brent Gillespie R，Ferris DP.Symmetry-based resistance as a novel means of lower limb rehabilitation［J］.J.Biomech，2007，40（6）:1286-1292.

［2］張曉超，張立勛，顏慶.一種新型三自由度下肢康復訓練機器人步態機構運動分析及仿真［J］.自動化技術及應用，2005，24（3）:32-35.