腦癱康復自行車

張超凱,Adrian Chin Hsiung Chong

(上海理工大學,上海 200034)

腦癱康復自行車

張超凱,Adrian Chin Hsiung Chong

(上海理工大學,上海 200034)

目前,腦癱疾病已成為醫療領域的一個嚴重問題.腦癱的基本定義是兒童早期的永久性運動障礙.本項目的主要目標是針對腦癱兒童設計和制造一種特殊的康復工具,緩解其運動障礙.為了使其得到廣泛使用,該工具必須易于控制,更加穩定且適合腦癱兒童的運動需求.

腦癱;康復自行車;運動障礙;康復工具

1 選題背景

如今,腦癱是世界上發病率較高的難治性疾病之一.據有關資料顯示,腦癱兒童每1 000例活產中約有2.1例.這種高發病率使其成為其他兒科疾病中最常見的運動障礙疾病.腦癱的基本定義是出現在兒童早期的一組永久性運動障礙.腦癱可能會影響兒童患者視力、感覺、飲食和口語等方面.孩子的癥狀與其他人不同.近30%的腦癱患者難以思考.幸運的是,盡管腦癱的癥狀在頭幾年可能非常顯眼,但通常情況下癥狀并不會惡化.腦癱的原因主要包括腦癱后遺癥和遺傳因素.腦癱病因主要發生在懷孕期間,但有時腦癱也可能在嬰兒出生后發生.不幸的是,迄今沒有有效的腦癱治療方法.然而,康復治療師可能在某些情況下起到治療作用,并且在很大程度上可以緩解其運動障礙.

雖然目前市面上已經為腦癱兒童設計了各種康復設備,但仍然缺乏能夠實現娛樂和康復目標的康復設備.因此,該項目旨在設計和制造一種康復自行車,可以豐富腦癱兒童的娛樂,同時長期使用可緩解其運動障礙.

為給康復自行車設計奠定堅實的基礎,將對腦麻痹癥狀、分類、病因及治療進行詳細的研究.基于這些,康復自行車的設計也應該考慮到用戶的舒適性和安全性.

2 方案與設計

2.1 車輪的設計

對于腦癱患者,小腦的損害使他們失去保持平衡的能力.因此,他們不能像普通人一樣騎著常用的兩輪自行車.為了解決這個問題,本設計將考慮采用三輪或四輪自行車.以下分析將側重于三輪和四輪自行車的比較及最終選擇三輪自行車的原因.

2.1.1 行車分別在粗糙和光滑平面上的性能

當地面不平整時,三輪自行車能比四輪自行車更穩定地固定在地面上.當自行車靜止在粗糙平面上時,三輪自行車比四輪自行車性能方面表現得更好.然而,康復自行車不像椅子那樣永遠靜止的物體,而需要在地面上移動.在平穩的地面條件下,三輪自行車與四輪車的性能相同.但在大多數情況下,地面往往不平整.當三輪自行車在粗糙的地面上移動時,整個自行車車身都會隨時改變其平面,向左或向右傾斜.當傾斜角度較大時,三輪自行車可能會翻車,這可能會對使用者造成很大的傷害.然而四輪自行車在粗糙的地面上運動有2種情況:一種是2個右輪和1個左輪將碰到地面,另一種是2個左輪和1個右輪將接觸地面.因此,隨著重心基準的變化,自行車也會左右擺動,而且這是一種垂直方向上的變化.因此當在粗糙的地面上移動時,四輪自行車似乎比三輪車更安全.

2.1.2 驅動力

在選擇這2種自行車時,需要考慮的另一個重要因素是驅動力的差異.與四輪自行車相比,三輪自行車承受的阻力較小,這是因為四輪自行車的接觸面較大.也就是說,騎行三輪自行車時需要較小的物理力,這對于那些有運動障礙的腦癱兒童騎行可能會更方便一些.

2.2 座椅的設計

軌道滑動型的基本概念是首先將滑動軌道與車身相焊接,然后通過螺母實現座椅與滑動軌道間的緊固.滑動軌道可以通過滑軌上固定間距的凹槽實現滑軌位移的固定.其原理與汽車座椅下面的滑動軌道相似.為節約成本,本設計采用車輛所使用的滑動軌道,經過加工后安裝在三輪自行車車身上,通過螺栓與安全座椅緊固.這種設計和緊固方式有著與板式固定型相似的安全性和可靠性,由于采用滑軌式,其可調節性較板式固定型有了很大的提高.滑動軌道的尾部安裝有一個扶手,向上抬起扶手可以釋放滑動軌道,放下扶手重新將滑動軌道鎖死.扶手內部彈簧在不受力時保持鎖死狀態,使用者可以一只手抬起扶手,一只手向前推或向后拉安全座椅來前后移動,其前后移動距離各為30 cm.

2.3 車把的設計

蝴蝶把是一種特殊類型的自行車把手,也稱為"放松車把"或"多功能車把".蝴蝶把從前桿開始,在自行車兩側呈現蝴蝶翅膀的形狀延伸.這樣的設計使騎手能夠以較小的控制力來握持車把的尾部,從而控制自行車的方向.與通常使用的直把和彎把相比,蝴蝶手柄足夠長,足以讓腦癱兒童控制自行車,甚至無需伸直手臂就能握住蝴蝶手柄.對于有姿勢困難的孩子,這將是一個很大的優勢和便利.此外,與線性延伸車把相比,姿態困難的兒童可以在不同的運動姿勢下控制自行車的方向,這是在線性伸展車把基礎上的一個很大的發展.蝴蝶手柄的另一個優點是,當轉彎時,騎手不需要轉動自己的身體.

綜上所述,這種康復自行車上蝴蝶手柄的優點可以歸結如下:①較小的身體轉動角度;②無需伸直手臂就可控制轉向;③適應多種姿勢維持障礙的腦癱兒童;④蝴蝶車把的位置可以調整為2種,以適應不同需求的腦癱兒童.鑒于上述所有這些因素,蝴蝶手柄終于被選為這款康復自行車最適合的手柄.

3 Solidworks模擬分析

第一次模擬是對自行車座椅的壓力分析.這種模擬旨在測試座椅及其支撐件是否能承受施加在其上的最大壓力.Von Mises方法被選為測試目標應力的方法.基于產品規格和普通兒童質量的安全座椅的最大容量,選擇70 kg(700 N)作為施加在座椅上的力.采用橡膠和合金鋼作為座椅及其支撐結構的材料.采用FEA對座椅進行了建模與分析,最終得出700 N垂直力下座椅及其支撐的應力狀況.根據應力模擬,座椅和2塊鋼板處于深藍色狀態,其應力值約為100 Pa,處于安全狀態.因此此產品不存在安全隱患.

4 結論

這個項目的整個設計過程和最終結果的得出是一個非常有意義的歷程.在研究部分,本文詳細介紹了腦癱的相關信息,比如定義、癥狀、分類和相對應的康復裝置.這些背景信息使筆者對腦癱有一個新的了解.在自行車的組裝過程中,采用了各種加工方法,比如焊接、切割和拋光,使加工的自行車符合腦癱兒童的要求.為了測試自行車的安全性,本文采用了Solidworks模擬,以找出其缺陷,并進一步改善.對于未來的設計,這個項目的康復自行車還需要進一步改進,特別是在安全座椅上下調節的問題上.此外,應到腦癱康復中心進行訪問,以檢測所設計的康復自行車是否適合腦癱兒童使用,以及如何用自行車進行康復訓練,并將在此基礎上進一步改善.

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〔編輯:劉曉芳〕

R473.72

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.107

2095-6835(2017)22-0107-03