健身車式下肢康復儀結構設計及運動學分析

連迅，李文慧

(文華學院 機械與電氣工程學部，湖北 武漢 430070)

0 引言

隨著人口老齡化問題越來越嚴重，年齡增大造成的老年疾病和身體機能退化導致嚴重的運動障礙，需要大量的康復護理人員負責照顧和護理，這對社會和患者家庭都是極大的負擔[1]。另一方面，由于腦卒中引起下肢障礙的人群近年來也逐步增加。此外，由于交通事故以及其他致傷因素造成的脊髓損傷(SCI)患者也呈逐年遞增趨勢。

針對上述狀況，在康復治療醫師資源缺乏的情況下，研究開發出一種可以為腦卒中與SCI導致的偏癱、截癱等下肢障礙人員及身體機能退化導致運動障礙的老年人提供康復訓練治療的自動化裝置，對提高年邁老人獨立自主生活的能力、幫助腦卒中與SCI導致的偏癱患者樹立重新行走的信心、減輕缺乏康復治療醫師的社會負擔等是非常有必要的[2]。

1 健身車式下肢康復儀的整體方案設計

目前下肢康復裝置采取的方案可分為三種：外骨骼減重步行康復訓練機器人、活動踏板式減重步行康復訓練機器人、穿戴式外骨骼輔助步行助力機器人系統[3]。這三種方案各有利弊，通過對其優缺點進行分析，本設計在以上方案的基礎上進行了改進。健身車式下肢康復儀主要的機構組成包括減重裝置、康復訓練執行機構、康復訓練輔助固定機構和動力源，如圖1所示。

1—減重裝置；2—輔助固定機構；3—執行機構。圖1 健身車式下肢康復儀的機構組成

減重裝置：傳統的懸掛式或腰胯固定式減重機構在使用者的舒適性方面有所欠缺。本設計采用坐式減重機構，可以提高使用者的舒適性，同時免除訓練時所需的下肢支撐力，給患者下肢減輕壓力。

康復訓練執行機構：采用自行車踏板運動的形式，由動力元件帶動踏板運動，患者足部隨踏板的運動自適應地完成被動形式的康復訓練。

康復訓練輔助固定機構：采用外骨骼輔助方式固定，幫助患者在康復訓練過程中步態軌跡穩定，同時避免康復運動時下肢朝外側擺動所造成的二次傷害。

動力源：采用單個電機給康復訓練執行機構提供動力。通過對電機的選型，選擇適合降速機構對電機輸出轉速進行降速，傳遞給康復訓練執行機構適合的轉速。

2 健身車式下肢康復儀各組成部分的方案設計

2.1 減重裝置的方案選擇

傳統的懸掛式減重裝置在減重效果上雖有不錯的表現，但會對患者腰胯部造成不適，在舒適性上稍顯不足。而采用坐式的減重機構，使用者患肢不需要支付任何的支撐力，在舒適性上有較大提升。本次設計直接采用座椅作為減重裝置[4]。

針對不同使用者身高差異和腿部骨骼長度不同的問題，將座椅式的減重機構設計成前后可移動的。常見的純機械往復移動機構有：凸輪推桿機構、抽水唧筒(手壓式水泵)機構(移動導桿機構)、曲柄滑塊機構。

1)凸輪推桿機構

使用凸輪推桿機構讓減重座椅前后移動。由于座椅自身的質量和機構所安裝位置需在座椅底部的特殊性，使凸輪的轉動必須要有很大的轉矩。如果使用電機控制凸輪轉動來使座椅位置移動，會使成本大幅增加，且需要空間來設計電機的安裝位置，產生不必要的麻煩。

2)抽水唧筒機構(移動導桿機構)

抽水唧筒機構在省力上有不錯的作用，但如果用來移動座椅位置，就必須要較大的安裝空間，以便于操作。

3)曲柄滑塊機構

曲柄滑塊機構結構簡單，可以節省空間，曲柄設計合理也可以有較為不錯的省力功能[5]。

綜合上述分析，最后確定使用曲柄滑塊機構來調節減重座椅的前后位置。

2.2 康復訓練執行機構方案選擇

采用單個電機給予動力，利用健身車形式的踏板運動完成康復訓練。該健身車式下肢康復訓練裝置整體采用健身車的結構框架，主動施加動力源，而避免讓使用者自身施力。使用減速電機帶動齒形帶輪轉動，從而帶動踏板曲柄轉動，使用者足部在曲柄踏板上固定，由曲柄的規律性運動帶動整個受傷下肢跟隨踏板的轉動而運動，以達到輔助康復治療的作用。設計的康復訓練執行機構如圖2所示。

圖2 康復訓練執行機構

通過健身車或腳踏車的騎行運動與其獨特的特點，使用者可借助曲柄的動作完成鍛煉與康復活動。對任意的單一曲柄，其運動軌跡均為有跡可循的閉鏈曲線，對使用者的下肢在相同軌跡內運動有所保證，能確?？祻陀柧毜陌踩行?；同時，在單個的運動周期中，其有章可循的運動特點在令使用者感到舒適的同時，控制方面相對簡單容易，且系統的平穩運行也有所保障。因此，使用健身車騎行運動的康復方式，對康復訓練的安全性和可靠性是有保障的。

2.3 康復訓練輔助固定機構的方案設計

采用現有裝置的康復訓練裝置執行機構類型，在訓練過程中可能會有患肢的擺動而造成二次傷害的可能。因此，需要在此基礎上增加一個輔助機構，來保證在康復訓練過程中避免二次傷害的出現。設計結構如圖3所示。

圖3 康復訓練輔助固定機構

已有的外骨骼執行機構方案中，在保證患肢的固定上有很可靠的能力，因此將其作為踏板式執行機構的輔助機構聯合使用。在踏板式康復執行機構運轉時，踏板曲柄轉動，兩塊外骨骼固定板依次連接在踏板曲柄上，大腿外骨骼板連接在座椅上，形成一個曲柄搖桿機構。使用者的患肢隨曲柄搖桿機構一同運動，在踏板式執行機構的訓練基礎上，附加一個保險固定裝置，令使用者的康復運動穩定、往復循環，避免了患肢擺動導致二次傷害的可能。

根據各功能結構方案的確定，本設計整體將在健身車的結構框架上進行改裝。整體組成有以下幾部分：底座、臥式齒輪減速電機、齒形同步帶、踏板曲柄、外骨骼輔助固定機構、座椅減重裝置和座椅平移裝置，如圖4所示。其工作過程是以臥式齒輪減速電機為原動件，通過彈性柱銷聯軸器與齒形同步帶輪軸進行連接，帶動齒形同步帶輪轉動，將動力傳輸給與大齒形同步帶輪軸連接的踏板曲柄，利用騎行運動的特點，令使用者患肢自適應地進行康復鍛煉，同時在外骨骼輔助固定機構的幫助下避免意外傷害的發生。使用者在使用前可通過座椅平移裝置的曲柄滑塊機構，調整座椅前后位置，來保證在康復訓練過程中坐姿的舒適性。

此裝置采用的是被動鍛煉的形式，患者可以坐在座椅上，減輕了對腿部的負荷，同時添加輔助裝置保證肢體在一個平面運動，有效防止肢體擺動，避免在進行康復鍛煉時造成二次傷害，且整個裝置的傳動平穩，無剛性沖擊，只需由一個電機驅動，操作簡單，占據位置也較小。

1—底座；2—座椅減重裝置；3—外骨骼輔助固定機構；4—踏板曲柄；5—齒形同步帶；6—座椅平移裝置。圖4 健身車式下肢康復裝置

3 關鍵結構的設計計算

3.1 曲柄踏板與輔助外骨骼的設計計算

曲柄踏板與輔助外骨骼組成了曲柄搖桿機構，按常規算法計算曲柄搖桿機構，根據小腿外骨骼輔助固定板長度、踏板曲柄長度和大腿外骨骼輔助板長度，計算出機架長度[6]。但是計算出曲柄搖桿機構的搖桿擺角會出現過大的情況，而搖桿的運動軌跡關乎大腿的運動軌跡，搖桿擺角必須是一個適宜的角度。因此在設計曲柄搖桿機構時，必須先設定好大腿外骨骼輔助板的長度和其作為擺桿時的擺角、機架的長度，通過這兩個已知條件計算出其他桿件的長度。

身高160～180cm的正常人小腿骨骼和大腿骨骼長度為45cm左右。圖5中AB為踏板曲柄，BC為小腿外骨骼輔助固定板，CD為大腿外骨骼輔助板，A、D為機架，OC為使用者大腿。

其中已知條件為大腿外骨骼輔助板CD=30cm，其擺角為45°，隨CD擺動的大腿長OC=45cm，繪圖后可知大腿與座椅平面的擺動角度為41°，在人體髖關節正常活動范圍之內。設定機架A與D的相對位置如圖5(a)所示，直線長度約為45cm，與水平面的角度為45°。通過以上已知條件可以列方程計算出踏板曲柄AB與小腿外骨骼輔助固定板BC的長度。

通過已知條件可以測量出大腿外骨骼輔助板處于兩個極限位置時AC1和AC2的長度為AC1≈54cm，AC2≈32cm，由此可根據幾何關系列出方程組

其中AB1=AB2=AB，B1C1=B2C2=BC，即

解得：AB=11cm；BC=43cm。

小腿外骨骼輔助固定板BC長度為43cm，長度范圍(45cm左右)合適；踏板曲柄AB長度為11cm。

將D點在水平方向上向左平移20cm(椅子的位移行程)，D點位置不變，依照上述計算出的曲柄踏板AB和小腿外骨骼輔助固定板BC長度以及已知的大腿外骨骼輔助板CD長度，可以得出圖5(b)。驗算可知，設計的曲柄擺桿機構滿足座椅前后平移20cm的條件，而不會破壞其作為曲柄擺桿機構的本質。此時，大腿與座椅平面的擺動角度為-9°，在人體髖關節正常活動角度范圍內。

圖5 曲柄連桿機構結構簡圖

3.2 減重裝置平移機構的設計計算

減重裝置平移機構的位移行程設計為20cm，與康復訓練裝置執行機構輔助機構所設計的曲柄連桿機構計算結果吻合。設計行程為20cm，主要是為了適應不同身高或腿長的人能保持舒適的坐姿，而不會在進行康復鍛煉時坐姿感到別扭，屬于人性化設計。平移機構采用曲柄滑塊機構[7]。

設計的曲柄滑塊機構簡圖如圖6所示。此時的座椅處于最前初始位置，向左下壓曲柄把手可使座椅滑塊向后移動。當達到行程終點時，由于滑塊被限位，曲柄把手無法繼續向下壓，由最后初始位置向前移動也是如此。滑動座椅到任意位置后，患者坐上椅子，由患者的體重產生壓力，使座椅不會在進行康復運動時前后晃動。此滑塊機構有曲柄存在的條件為a+e≤b，其中a=30cm；e=2cm；b=38.1cm，滿足此曲柄滑塊機構存在曲柄的條件，設計成立。曲柄a段與連桿b連接的節點上部分設計長度使其大于a的長度，可使其達到杠桿的效果，在平移座椅位置使可以達到省力的效果。

圖6 曲柄滑塊機構結構簡圖

4 基于SolidWorks的健身車式下肢康復裝置的三維建模

完成所有零部件的建模后，即可對整體的總裝配體進行安裝。在SolidWorks中新建一個assembly文件，插入底座零件后進行固定，再依次插入所有零件進行裝配，添加所有在安裝時所需的約束，并檢驗是否有模型干涉，檢查無誤后即是完成整體模型的構建，如圖7所示。

圖7 健身車式下肢康復裝置的總裝圖

5 結語

本文提出了一種健身車式下肢康復裝置的結構設計，對其機構設計方案進行了詳細介紹，通過踏板式康復執行機構與外骨骼輔助固定機構的有機結合，運用腳踏車運動方式制定康復訓練策略，在對各結構進行選型計算后，通過SolidWorks進行三維建模，模擬下肢康復裝置的工作過程是否合理，有無干涉等現象，其仿真結果證明結構安全，具有廣闊的發展前景和實用價值。