下肢训练康复轮椅训练模块测试系统的研制

杜妍辰，林俊文，王多琎

上海理工大学 医疗器械与食品学院(上海，200093)

0 引言

由于日益严重的人口老龄化问题和因疾病致使肢体残障人数逐年增加，我国下肢功能障碍患者逐年递增。对患者来说，他们既有轮椅等辅助移动设备的需求，也有帮助下肢训练康复设备的需求，而需求设备间的移动和穿戴给患者带来许多阻碍。因此，逐渐出现了一些集康复训练功能于一体的轮椅系统。

针对轮椅车我国出台了如GB/ T 18029系列国家标准，用以规定对轮椅产品进入市场前进行的测试项目和指标。国内学者针对传统测试中使用肉眼观察轮椅难以量化指标等问题做了深入研究。俞显佳等［1］提出了一种轮椅静态强度测试系统，可对扶手、脚踏、手把同时测试，并用数控比例阀和高精度力传感器与放大器配合实现高精度抓取力值。王志明等［2］提出一种轮椅车动态测试系统，可对前后轮间距为350～1 500 mm轮椅车进行颠簸测试和0～40°爬坡测试，并可切换电动或手推式测试模式。而国内尚未出台轮椅车中下肢康复训练部分国家标准，该文参考GB 24436-2009、GB/T 28919-2012等系列设计针对下肢康复训练模块的测试设备以填补国内相关设备的缺失，并解决了国外类似设备的代表人群体征差异。

1 轮椅下肢康复训练模块测试平台设计

该测试平台由测试假人主体与外挂架组成（图1）。其中假人主体部分参照国标GB 10000-88中50 %中国成年人人体尺寸设计，在保证人体质心标准基础上，选择对应人体肩高1 367 mm为假人主体总高，总质量为60 kg，并按照人体结构分为足部、小腿、大腿和躯干4个部分。假人各部尺寸、质量及质心可满足轮椅测试中负载假人的功能，其关节处安装传感器以完成下肢康复训练运转平稳性测试，足底压力传感器、整机双平行四边形设计、躯干内丝杆电机与外挂架组成了平衡训练安全性测试模块，膝关节中的摩擦盘和大腿中部的气动夹钳可用以模拟人体痉挛，并且膝关节阻力可调（图2）。

图1 测试平台整体外观示意图Fig.1 Test platform components

图2 假人主体各部位标注示意图Fig.2 Design of each part of dummy body

该测试平台通过模拟人体在下肢训练轮椅上进行下肢康复训练及平衡能力训练进行测试。根据各参考标准要求，测试平台中假人主体各部尺寸、质量、质心和关节可动范围应与自然人一致。在平衡训练测试时，应模拟人体移动重心的姿态，并限制假人矢状面上的移动，且躯体可在冠状面上移动用以改变重心；在测试痉挛保护功能时，需对膝关节施加一个突然的制动力，用以模拟人体痉挛。因此，对该测试平台设计3个模块以解决上次功能需要。

1.1 平衡训练稳定性测试模块

根据标准，负载假人的各部高度、质量和质心应严格按照人体尺寸设计，以满足测试模拟人体的需要（表1）。

表1 假人主体各部尺寸表Tab. 1 Dimension table of dummy body

为测试各种不同的下肢康复训练轮椅训练时，小腿托板带动小腿被动训练时的平稳性，增加设备通用性，在每个髋、膝关节处均安装有扭矩和角度传感器，用以记录测试对象下肢康复训练中输出角度、加速度和扭矩，并计算其平稳性。

1.2 平衡训练测试模块

为模拟人体站立在轮椅脚托架上，患者训练平衡能力时做改变重心的侧倾姿态，使用双平行四边形机构实现腿部各机构倾斜而躯干竖直功能（图3）。使用贯通式丝杆电机控制AB杆相对CD杆之间的水平位移带动AE杆与BF杆倾斜，并通过直线导轨保证AB杆相对CD杆之间的竖直方向位移不受限制，并且利用丝杆电机自锁的特性，可用较小力矩就保持结构稳定，避免了使用昂贵电机与减速器增大力矩的情况。通过快卸插销限制平衡训练时髋、膝关节的旋转移动；通过可调紧定螺丝把手限制踝关节的旋转移动且限制角度可调；通过重型铝方管与光轴直线导轨组成的外挂架，以插销快接的方式与假人主体相连接，用以限制假人主体在矢状面上的移动；通过贯通式丝杆电机带动假人主体整体倾斜，并模拟人体倾斜时下肢倾斜而躯干保持竖直状态的功能，而改变重心模拟人体在相关轮椅上进行平衡训练时重心移动，并依靠假人主体足部压力传感器获得设备平衡实时状态，用以失衡状态时假人倾斜角度判断，提高轮椅的安全性能。

图3 假人主体倾斜结构示意图Fig.3 Dummy body tilt structure diagram

1.3 痉挛保护测试模块

为测试各下肢康复训练轮椅在患者进行下肢康复训练时突发痉挛症状的保护措施和触发条件。设计由安装在膝关节的制动盘和气动刹车夹钳作为对应测试模块，配合制动盘后刹车夹钳在0.7 MPa的气压下可在膝关节产生制动扭矩（0～45 N·m可调）。通过控制气压阀门可使膝关节瞬间产生制动扭矩，用以模拟人体僵直状态，测试各类设备对人体痉挛状态的保护措施。小腿侧板和踝承重轴块的应力分布见图4，图5。

图4 小腿侧板应力分布图Fig.4 Stress profile of leg side plate

图5 踝承重轴块应力分布图Fig.5 Stress distribution diagram of ankle bearing axial block

2 关键部位有限元受力分析

选择测试平台中关键部位零部件进行有限元分析计算，用以计算测试平台可靠性，可有效防止测试平台在测试过程中出现部件损坏、失效等情况，以保证系统安全性能。

由图4和图5可知，在站立工况下小腿侧板在承重梁处产生最大应力，最大应力值为4.722 MPa，踝承重轴块在轴中出产生最大应力，最大应力值为0.417 6 MPa，远低于许用应力505 MPa，满足材料屈服强度要求。因此，假人主体结构设计合理，其结构强度可达到各使用工况的性能要求。

3 结语

针对下肢康复训练轮椅的下肢训练模块测试是此类设备的重要安全指标,关系到下肢障碍者的人身安全。目前关于此类轮椅康复训练模块的国标尚未出台，相关测试设备空白，我们提出的测试平台整合了3类针对下肢训练模块的主要测试项目，提高了测试效率，减少了设备堆叠。

测试平台中假人主体在与自然人体体征相同的基础上加装传感器可真实检测使用者在各康复设备上接受的扭矩和角速度数值，克服目前相关轮椅测试仅针对电机和设备结构的情况，创新性地使用双平行四边形机构模拟人体倾斜情况，并使用压力传感器精确判断失衡时角度特性。本测试平台精度高，判断依据准确，部件同人体生理数据一致，且结构拟人度高、可靠性强，具有很好的实际测试意义。