基于TRIZ理論的娛樂康復訓練器設計

國秀麗 吳靜松 吳貴軍

（安陽工學院，河南 安陽 455000）

0 引言

我國是人口大國，且人口老齡化結構日趨明顯，腦卒中、腦外傷患者的比例明顯增加，腦組織損傷是無法逆轉的，致殘、致死率高，大部分患者存在運動功能障礙、走路失穩、記憶力減退等癥狀，嚴重時甚至出現肌無力、不能自主運動，導致長期臥床，嚴重影響生活質量。通過康復運動訓練來促進神經發育和代償，從而改善和恢復上肢的運動功能，使患者能獨立生活［1］。康復訓練是一個周期長、起效慢、枯燥乏味的治療過程，往往一個康復動作要患者重復進行數以萬計的強化訓練，患者有可能產生對生活看不到希望、孤獨、焦慮、抑郁等負面情緒。在康復訓練過程中引入娛樂功能是目前康復訓練器械領域比較關注的問題，利用娛樂功能提高患者的康復熱情，讓患者主動參與其中，能明顯提高患者的康復效果。

1 TRIZ理論

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）是俄文中發明問題解決理論的詞頭，是由前蘇聯科學家根里奇·阿奇舒勒及其組建的研究團隊，自1946年開始，花費了大量的人力物力，所提出的發明問題解決理論。由于其特有的39個特征、40個發明原理和矛盾矩陣等解決問題的方法，被廣泛應用于微電子、化學、生物學、社會學、食品、商業等領域，為人們遇到的紛繁復雜、干擾因素較多，且毫無頭緒的問題指明了解決方向。尤其是在萬眾創業、全民創新的時代，TRIZ理論為創新創業人員開拓了思路，打破思維定式，為創新創業人員提供一套系統的、科學解決問題的方案。

2 TRIZ理論的娛樂康復訓練器設計

患者要實現肢體運動功能、解決生活自理問題是最基本需求，而這對一些重度偏癱的患者來說可能是一種奢求，如何通過康復器械來代替康復醫師進行重復的康復訓練過程，就要對康復醫學、機械工程、控制工程進行交叉融合。同時，將TRIZ理論融入康復器械設計中，找到設計問題的最優解［2］，提高患者在康復運動過程中的舒適性，進一步提高康復效果。

大部分肢體運動功能障礙的患者是一側肢體運動受限，通過一側肢體帶動另一側肢體進行康復訓練，患者能感知被牽引側的牽引力量過大時引起的疼痛及在康復訓練過程中出現的痙攣等情況，患者會主動控制運動側，安全系數高，從患者康復醫學運動的康復效果、實現雙側運動的機械結構、娛樂功能控制的便利等角度出發，設計出雙側上肢同步訓練的娛樂功能康復訓練器，其結構原理如圖1所示。

從圖1可以看出，患者同步前推兩側手柄，兩側手柄通過一根桿進行連接，從而帶動齒輪轉動，平移桿后側的齒條與齒輪嚙合，平移桿向后移動，撞擊桿上的彈簧被壓縮，患者松開手柄后，撞擊桿撞擊發射筒內的圓球，圓球彈出，彈簧復位，球箱內的圓球掉落在發射筒內，從而完成一次圓球撞擊發射，患者在娛樂的同時，也能進行康復運動訓練。

圖1 娛樂康復訓練器結構原理圖

在實現一側上肢帶動另一側上肢前后移動時，在患者松開雙手后，壓縮后的彈簧在恢復力的作用下，帶動撞擊桿撞擊圓球，而此時手柄也會跟著撞擊桿向前快速擺動，很容易打傷患者的上肢，從而對患者造成傷害，其安全性差。要解決該問題，就要確保患者在松開手柄時，手柄不會打傷患者。在手柄下端轉動支點處加裝阻尼控制裝置，當患者松開手柄或手柄接近患者上肢位置時，手柄回彈速度被限制，不至于打傷患者。而在撞擊圓球時，手柄速度不受限制，加裝阻尼控制裝置后，在不同位置提供不同阻尼，必然會增加系統的復雜性，而在位置檢測時，要提高阻尼控制裝置的加工精度。

從以上分析可以看出，要提高患者在使用過程中的安全性，即減少物體產生的有害因素，同時要實現防止患者受傷的自動化控制，將加裝阻尼控制裝置的娛樂康復訓練器的技術矛盾問題轉換為TRIZ語言，使用TRIZ理論中的阿奇舒勒矛盾矩陣來定義技術矛盾，從而得到有效解［3］。

在上述方案中，采用39個通用技術參數即可將問題轉換成需要改善的參數［4］，即物體產生的有害因素、自動化程度，產生惡化的參數是制造精度、系統的復雜性，這四個參數之間的矛盾產生的矛盾矩陣如表1所示。

表1 娛樂康復訓練器的矛盾矩陣

由表1的矛盾矩陣可知，產生推薦的發明原理分別為1分割原理、4增加不對稱性原理、15動態特性原理、17空間維數變化原理、18機械振動原理、19周期性作用原理、23反饋原理、24借助中介物原理、26復制原理、28機械系統替代、34拋棄或再生原理。

TRIZ矛盾矩陣給出了11項推薦原理，為問題的有效解提供了方向，本研究采用1分割原理對該設計方案中的問題進行求解，將滑動桿與撞擊桿間的固定連接分割開，采用齒輪、棘齒、偏心輪機構進行鉤接。在手柄推動到前側時，滑動桿與撞擊桿鉤接結構動作，手柄向后拉動時，帶動撞擊桿向后移動，手柄停在任何位置松開時，彈簧在恢復力的作用下，滑動桿與撞擊桿采用鉤接方式進行連接，齒輪、棘齒、偏心輪采用鉤接方式進行分離，立體效果圖如圖2到圖4所示。

圖2 娛樂康復訓練器模型圖

圖4 齒輪脫離機構

3 結語

隨著我國人口老齡化日趨明顯，腦卒中、腦外傷引起的運動功能障礙患者數量在逐年增加，通過娛樂功能的康復訓練裝置來提高患者的康復熱情是一種提高患者自理能力的手段，本研究設計出的娛樂擊球雙側同步上肢康復訓練器，是根據康復訓練器結構在患者康復訓練過程中遇到的問題，得出惡化參數和改善參數間的矛盾矩陣，利用TRIZ矛盾矩陣得出11個有效解，根據推薦原理，最終選擇分割原理，即滑動桿與撞擊桿采用鉤接的方式連接，齒輪、棘齒、偏心輪采用鉤接結構進行結構的分離，從而實現患者在任何位置松開手柄，手柄都不會打傷患者，且滿足彈射擊球的設計要求。

圖3 偏心輪脫離機構