康复训练器材的人机接口设计

中国组织工程研究 第 18 卷 第 3 期 20140115 出版 Chinese Journal of Tissue Engineering Research January 15, 2014 Vol.18, No.3 P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org 488 www.CRTER.org 张克选，男，1989 年生， 河南省淅川县人，汉 族， 郑州大学在读硕士，主要 从事工业设计、人机工程、 计算机辅助设计与虚拟样 机方面的研究。 doi:10.3969/j.issn.2095-4344. 2014.03.026 中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:2095-4344 (2014)03-00488-05 稿件接受：2013-10-15 Zhang Ke-xuan, Studying for masters degree, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan Province, China Accepted: 2013-10-15 康复训练器材的人机接口设计 张克选 1，苏智剑 1，高振奎 1，林能涛 1，朱惠玉 2 (1郑州大学，河南省郑 州市 450001；2河南省生产力促进中心，河南省 郑州市 450001) 文章亮点： 1 文章基于人机工程学思想，以康复训练者为核心，对康复训练器材人机接口进行研究。设计出了新的人机 接口，该接口充分考虑了康复训练过程中存在的安全隐患，有效保证了使用者安全。 2 现代康复训练器材跟部分正常人使用的健身器材在功能方面有很多共同点。康复训练人机接口的设计，可 以将康复训练推广到部分健身器材，为患者的康复训练提供了新思路，这也是文章的最大亮点。 3 为使机接口方案更加人性化，使用了弹簧钢片和粘扣带的组合来实现人机接口的功能，满足康复患者跟训 练器材的固定和分离。这两种材料的创新性应用也是文章的另一大特色。 关键词： 生物材料；康复训练；人机接口；人机工程学；安全性；健身器材；固定装置；分离装置 主题词： 人机系统；人体工程；康复；偏瘫；老年人；残疾人 摘要 背景：康复训练器材在康复治疗中发挥着重要的作用，由于患者的肌肉力量和关节活动度比较差，因此必须 保证康复训练器材的安全性。 目的：设计一种适用于康复患者的人机接口，保证患者安全地使用康复器材甚至部分健身器材。 方法：通过用户研究找到现有康复器材存在的缺陷，以患者为核心，运用人机工程学原理和方法，通过调查 研究和计算机辅助设计，设计出上肢训练器材人机接口。 结果与结论：新的人机接口方案，既实现了患者与康复训练器材的快速穿卸，同时当患者身体出现不适或者 器械发生故障时，可以实现人跟器材的自动分离。该人机接口甚至可以推广到部分健身器材上，方便患者康 复训练。 张克选，苏智剑，高振奎，林能涛，朱惠玉 . 康复训练器材的人机接口设计 J.中国组织工程研究， 2014， 18(3):488-492. Man-machine interface design of a rehabilitation training equipment Zhang Ke-xuan1, Su Zhi-jian1, Gao Zhen-kui1, Lin Neng-tao1, Zhu Hui-yu2 (1Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan Province, China; 2Henan Provincial Productivity Promotion Center, Zhengzhou 450001, Henan Province, China) Abstract BACKGROUND: Rehabilitation training equipments play an important role in the rehabilitation treatment. Because of poor muscle strength and joint mobility in patients, we must guarantee the safety of rehabilitation training equipments. OBJECTIVE: To design a new suitable man-machine interface that ensures patients can use rehabilitation equipments and even parts of fitness equipments safely. METHODS: Through user experience research, we found the flaws of the existing rehabilitation equipment. Depending on the principles of ergonomics, we designed a new man-machine interface for upper limb exercise through survey and computer-aided design. RESULTS AND CONCLUSION: The new man-machine interface program achieves the rapid wear and discharge between patients and rehabilitation training equipment, and importantly, it can automatically separate people from the equipment when the patients body discomforts or equipment failure appears. Whats more, this man-machine interface can be promoted to other fitness equipments. As a result, rehabilitation training for patients will be more convenient. Subject headings: man-machine systems; human engineering; rehabiliation; hemiplegia; aged; disabled persons Zhang KX, Su ZJ, Gao ZK, Lin NT, Zhu HY. Man-machine interface design of a rehabilitation training equipment. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2014;18(3):488-492. 0 引言 Introduction 科技的进步为正常人的生活、 张克选，等 . 康复训练器材的人机接口设计 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 489 www.CRTER.org 工作带来了很大的方便，但老年人和残疾人的需求却常常 被忽视。与健身器材市场的火爆相比，专门供残疾人、老 年人、偏瘫患者等使用的康复训练器材却相对短缺。 现阶段，因为疾病、交通、事故等原因造成的病残人 员中，需要借助康复医学实现康复的人数非常庞大，并且 逐年增加。国内6 700多万残疾人中，大部分可以通过康 复器材和康复训练，部分或全部地改善或恢复其失去的功 能。有近1 033万由于各种疾病造成肢体功能障碍者，因 缺乏科学有效的康复训练设备，得不到专业的康复训练和 而影响了康复效果 1-3。因此如何保障这些特殊群体安全 的使用康复器材进行康复训练，甚至使用部分的健身器材 进行康复训练，成了目前急需解决的问题。 1 现有健身器材与残疾人康复之间的联系 Existing association between fitness equipments and rehabilitation of the disabled 1.1 现有健身器材与现代康复训练器材的分类 目前常 见的健身器材从锻炼的目的来说可分为有氧运动器材和无 氧运动器材两种，主要包括跑步机、划船机、健身单车 等 4(图1)。作为残疾人使用的康复训练器材与一般健身器 材有很多的不同。随着科技的进步，在传统康复器材的基 础上，国内外研发出一系列现代康复训练器材，并且具有 功能全面化、控制自动化、训练个体化等优点 5-6。现代 康复训练器材主要包括MOTOmed四肢康复训练系统， lokohelp 减重助行训练器等(图1) 。 1.2 健身器材和康复训练器材的区别人机接口 健身 器材中除了无氧力量型训练的器材，其他一些有氧健身器 材如健身车等，跟康复训练器材在使用方式和工作原理方 面基本相同。但也存在很多区别，主要体现在人机连接方 式不同：以SOLE健身车和MOTOmed四肢康复训练系统 为例(图2A，B)，对康复患者实施康复训练，对提高患者 的肢体运动功能和日常生活活动能力所起的作用已成为一 个不争的事实。与此同时，由于康复患者的各方面功能比 较弱，肌肉力量和关节活动度跟正常人相比有比较大的差 距，患者在使用器材时往往需要更多的保护，这时就需要 特殊的人机接口 7-9。 2 人机接口概念与现有人机接口案例分析 Man- machine interface concepts and case studies 人机接口，是为了建立和谐的人与机器的交互环境， 帮助人更好的使用机器的装置。现有人机接口主要分为两 大类：一类是辅助残疾人等特殊使用者完成正常生活活动 的辅助性人机接口，另一类是保证使用者安全使用器材的 安全性人机接口。 2.1 辅助性人机接口案例 现有的康复训练器材针对患 者的特殊情况设计了不同的辅助人机接口，帮助患者活动， 图 1 健身器材及现代康复训练器材分类 Figure 1 The classification of fitness equipments and rehabilitation training equipments 图注： (1) 图中 A1-9 为从左到右，从上到下分别是椭圆机、健身车、跑步机、腹肌板、举重器材、划船机、踏步机、综合训练器材。 (2) 图中 B1-4 为从左到右，从上到下分别是 MOTOmed 四肢康复训练系统、上肢关节复合运动控制系统(tecnobody MJS)、lokohelp 减重助 行训练器、ORMESA 步态训练器。 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 B3 B4 B1 B2 张克选，等 . 康复训练器材的人机接口设计 P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org490 www.CRTER.org 通过外部的支撑力量，弥补瘫痪无力造成的主动肌肉与拮 抗肌肉的失衡 10。上肢康复训练器的辅助人机接口，弥补 了患者双手无法握紧把手的不足，可帮助患者正常的进行 康复训练(图2C )。 2.2 安全性人机接口案例 人机接口一方面辅助使用者 活动，另一方面，更重要的是要保证使用者的安全，很多 人机接口的设计都把安全性放在很重要的位置，以滑雪固 定器的人机接口设计为例(图2D)。滑雪固定器是滑雪装备 的重要一部分，在滑雪过程中，当出现摔倒或者危险情况 时，固定器监测到滑雪板离地高度超过安全值，就会实现 人和滑雪板分离，保护双腿不受伤害。 综合以上人机接口的案例，可以得到以下结论：人机 接口的设计不仅要辅助使用者实现其与机器之间的正常操 作。同时也要保证人在使用过程中的安全性。而针对残疾 人等一些特殊人群，在康复训练器材方案设计的初期，就 需要针对安全性进行特殊的设计和考虑。 3 康复训练人机接口设计的人机工程学分析 Ergonomics analysis of man-machine interface design for rehabilitation exercise 3.1 人机工程学基本思想 美国人机工程学专家 WoodCC对人机工程所下的定义为：设备设计必须适合人 的各方面因素, 以便在操作上付出最小的代价而求得最高 效率。其根本目的是通过解释人，机，环境三要素之间的 相互关系，从而确保人-机环境系统总体性能的最优化 11。 可见基于人机工程的设计是一项以人为核心的“人-机-环 境”综合的系统设计, 既要满足人们生理层次上的需要, 又要满足人们心理层次的需要。 3.2 现有康复训练人机接口设计的人机工程学分析 现有 的康复器材在人机接口方面也进行了考虑，但主要是辅助 性人机接口(图3)，以MOTOmed四肢康复训练系统的辅 助装置为例。 现有康复训练人机接口，通过夹板将四肢跟器械固定， 粘扣带的使用，方便穿卸，但是当紧急情况发生时，四肢 无法实现跟器械的迅速脱离，因此存在比较大的安全隐患。 人机工程学的目标之一就是减少意外事故，同时增进 使用者在工作时的安全性和舒适性 12。因此，人机接口的 设计必须以使用者为核心，在设计过程中康复训练器材的 安全性应放在首位。既要方便使用者穿卸和固定，更重要 的是在紧急情况下实现四肢跟器材的分离，保证患者安全。 4 上肢康复训练人机接口方案设计 Design of upper limb training man-machine interface 针对前文提出的问题，以四肢康复训练器材上肢人机 接口为例，基于人机工程学考虑，设计了新的康复训练人 机接口。该人机接口设计采用弹簧钢片实现对双臂的环绕 固定，弹簧钢片通过粘扣带结构与康复训练器材固定连接。 通过改变粘扣带的接触面积，实现人跟器材的分离，有效 保证使用者的安全。下面将人机接口分为固定装置和分离 装置两部分介绍。 4.1 人机接口方案固定装置设计 弹簧钢片采用65 Mn 弹簧钢，经过特殊加工的弹簧钢片拥有良好的弹性，不易 断丝且弹簧的疲劳寿命长，弹簧综合力学性能好 13-14。它 的截面是中间高两边低的形状。正常情况下，钢片被拉伸 呈伸直状态(图4A)左，当使用者把手臂放上去，它的中间 突起部分受到压力产生变形，钢片就会立刻弯曲并紧紧环 绕使用者的手臂(图4A)右，这样就实现了双臂与器材的固 定。钢片的长度可以根据使用者手臂的粗细进行选择。使 用完毕时，只需将弹簧钢片的两端拉直，双臂便可以取出 来。每个上肢人机接口由两个弹簧钢片组成，两个弹簧钢 片固定于支撑板1上。 4.2 人 机 接 口 方 案 分 离 装 置 设 计 当 使 用 者 身 体 出 现 异 常 ， 或 者 器 材 发 生 故 障 时 ， 需 要 人 跟 器 材 发 生 分 离 ， 该 人 机 接 口 分 离 装 置 的 设 计 使 用 粘 扣 带 结 构 (图 4B)。 粘 扣 带 由 一 条 表 面 有 细 小 钩 子 的 钩 面 粘 扣 带 与 另 一 条 表 面 有 毛 圈 的 毛 面 粘 扣 带 扣 合 构 成 。 不 同 的 钩 面 粘 扣 带 和 毛 面 粘 扣 带 扣 合 在 一 起 便 形 成 不 同 的 紧 固 件 产 品 ， 具 有 “一 碰 即 粘 合 ， 一 扯 即 可 分 开 ”的 特 性 ， 并 能 反 复 拆 开 ， 扣 图 2 健身器材 /康复训练器材及辅助性/安全性人机接口 Figure 2 SOLE fitness bike and Ski holder man-machine interface 图注：图中 A 为 SOLE 健身车；B 为 MOTOmed 四肢康复训练系统；C 为上肢训练辅助人机接口，图中绷带固定双手，辅助使用者进行康复 训练；D 为滑雪固定器人机接口，滑雪固定器保护人在滑雪中不受伤害。 A B C D 张克选，等 . 康复训练器材的人机接口设计 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 491 www.CRTER.org 合 使 用 , 目 前 已 经 广 泛 适 用 于 服 装 、 电 子 产 品 、 家 居 用 品 等 领 域 15-16。 支撑板1与钩面粘扣带 2固定，毛面粘扣带 3的一端固 定于外壳4，另一端绕过滚轴 7与推杆 5相连，并通过连接 件6与推杆相连。需要分离时，推杆收缩，毛面粘扣带在 拉力作用下被剥离，直至粘扣带完全分开，这时就实现了 上肢跟器材的分离。反过来，当推杆伸长时，毛面粘扣带 跟钩面粘扣带粘合，同时在滚轴的滚压压力作用下，保证 粘扣带的良好粘合。 经过长期的设计与改进，该上肢人机接口的使用流程 (图4C )。使用时，将前臂放入人机接口，通过固定装置将 人跟器材固定。正常情况下，结束训练时，只需将弹簧钢 片拉直，手臂即可取出。当发生意外情况时，分离装置开 始工作，将人的前臂连同固定装置一起跟器材分离，保证 使用者的安全。 该方案可行性已经得到论证，目前正处于试制样机阶 段，样机制作完成后，将进行后期的临床试验。 5 讨论 Discussion 众所周知，现代康复训练器材在康复治疗中发挥着重 要作用。康复辅助器具是残疾人回归社会的桥梁，对促进 社会的稳定与和谐有很重要的意义。大量的临床及研究证 明，对患者早期即介入康复治疗，能够改善患者生活质量， 提高患者生活自理能力。康复训练器材安全与否，不仅 直接影响康复训练的效果，更关系到康复患者的健康 17-18。 现有的康复训练器材可以分为两大类：一类是治疗师 借助于一定的器械对患者进行手法训练，另一类是治疗师 指导、帮助患者利用器械进行训练。随着康复患者的日益 增多，传统的治疗师辅助训练法已经很难满足患者的康复 需要，这时就需要大量的现代高科技康复训练器材。现代 康复训练器材在康复效率和疗效方面比传统方法有了较大 的提高，但是必须意识到，缺乏治疗师陪同保护的康复训 练器材在使用安全性方面存在较大的隐患。这也是本文的 康复训练人机接口要集中解决的问题。 为了设计出安全的，适于患者使用的康复训练器材, 必须以康复患者为核心进行研究和设计。考虑到患者生理 功能有缺陷的特殊性，需要特别关注康复患者的心理和情 感方面的需求。残疾人由于生理功能的丧失，导致其在以 正常方式或正常范围内进行活动的能力缺乏。自身缺陷或 存在障碍，决定了其不能正常参与家庭生活及社会生活， 因此大部分的残疾人普遍存在心理上的自卑感。对于残疾 人来说，当不能适应周围的正常生活环境，又渴望身体残 损得到补偿恢复时，就会产生很大的心理负担。一旦训练 康复设施不合理或理念不完善时，残疾人生理特点无疑会 加重其正常恢复并参与社会活动的困难，甚至会产生深远 的心理影响，导致其心理变化，这些无疑会给残疾人更好 更快地融入到社会造成巨大的障碍 19-20。 康复产品设计的直接对象是康复器材，而最终对象是 使用者，包括残疾人、老年人及医院康复辅助人员等。康 复训练器材的设计要充分运用人机工程学知识，使产品符 图 3 MOTOmed 四肢康复训练系统的上肢辅助装置 Figure 3 Upper limb aided device of MOTOmed movement therapy system 图注：现有辅助装置通过夹板和绷带将上肢跟器材固定。 图 4 人机接口方案固定及分离装置设计 Figure 4 Fastening devices diagram of upper limb man-machine interface 图注： (1) 图中 A 为上肢人机接口方案固定装置示意图：1 为支撑板，2 为 弹簧钢片。 (2) 图中 B 为人机接口分离装置剖面图：1：支撑板，2：钩面粘扣 带，3：毛面粘扣带，4 ：外壳，5：推杆，6：连接件，7 ：滚轴。 (2) 图中 C 为上肢人机接口方案整体效果与使用流程：1：手臂放入 上肢人机接口；2：正常运动时固定装置把手臂环绕固定；3 ：发生 意外情况时，分离装置实现人跟器材的分离。 A B C 张克选，等 . 康复训练器材的人机接口设计 P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org492 www.CRTER.org 合使用者生理和心理需求，实现产品和人的和谐。安全是 人的身心免受外界不利因素影响的存在状态以及保障条件。 产品的安全，只有建立在安全的产品、安全的识别和安全 的使用这样的系统状态下才能实现。因此在康复训练器材 设计的全过程，安全性必须摆在很重要的位置 21。 文章基于人机工程学思想，以康复训练者为核心，对 康复训练器材人机接口进行研究。设计出了新的人机接口， 该接口充分考虑了康复训练过程中存在的安全隐患，有效 保证了使用者安全。在此过程中，人机工程学研究一方面 为康复训练人机接口设计中考虑“使用者”提供了人体尺 寸的参考，另外也为最终产品功能的合理性提供了科学依 据。应用人机工程学理论设计的人机接口可以广泛适用于 康复训练器材，甚至可以帮助残疾人使用部分现有的健身 器材，使用者在康复训练人机接口的辅助下，可以良好的 完成康复训练。在一定程度上解决了现阶段康复训练器材 短缺的难题，为残疾人康复训练器材的研究提供了新的方 法和思路，这也是文章的最大亮点。 此外为了使机接口方案更加人性化，文章使用了弹簧 钢片和粘扣带的组合，来实现人机接口的功能。这两种材 料的创新性应用也是本文的另一大特色。其中弹簧钢片的 使用，充分考虑到了患者的需求，方便快捷，帮助康复患 者快速实现人跟机器的固定。粘扣带的使用，避免了现阶 段粘扣带只能手动粘合或者分开的状况，结合残疾人各方 面身体机能较正常人偏弱的情况，借助电机的作用，当发 生意外情况时，实现粘扣带的自动粘合和分开，进而在紧 急情况下实现人机分离，优先保证使用者的安全。 目 前 ， 该 人 机 接 口 方 案 几 经 修 改 ， 已 经 基 本 完 成 了 前 期 的 预 定 目 标 ， 解 决 了 康 复 训 练 过 程 中 出 现 的 问 题 。 在 考 虑 了 加 工 制 造 的 问 题 之 后 ， 该 方 案 现 在 已 经 处 于 样 机 试 制 阶 段 。 鉴 于 该 人 机 接 口 的 使 用 者 是 康 复 患 者 ， 因 此 需 要 在 样 机 制 作 完 成 后 进 行 临 床 试 验 ， 然 后 根 据 医 疗 器 械 临 床 试 验 的 原 则 ， 通 过 试 验 反 馈 ， 对 人 机 接 口 方 案 进 行 修 改 和 改 进 22。 文章以MOTOmed康复训练系统为例，针对患者的上 肢设计了人机接口，因此该人机接口是否能很好的适用与 其他康复训练器材，还需要更多的试验和改进。另外，患 者在康复训练中与训练器材接触的部位还有很多，如下肢、 腰部等。考虑到人体身体结构的特殊性和人体生物力学的 相关知识，针对不同身体部位的康复训练也不完全相同， 针对不同的康复部位的康复训练，需要特殊的有针对性的 研究，这样设计的人机接口才能达到最佳的康复训练效果。 因此还有很多后续工作有待展开。 致谢 ：非常感谢课题组苏智剑教授对论文的指导。 作者贡献 ：方案设计、成文由 张克选 完成， 资料收集由高振 奎、林能涛辅助完成，方案评估由苏 智剑教授和朱惠玉老师实施。 利益冲突 ：文章及内容不涉及相关利益冲突。 伦理要求 ：课题无涉及伦理冲突的内容。 学术术语 ：人机接口-是为了建立和谐的人与机器的交互环 境，帮助人更好的使用机器的装置。现有人机接口主要分为两大 类，一类是辅助残疾人等特殊使用者完成正常生活活动的辅助性 人机接口，另一类 是保证使用者安全使用器材的安全性人机接口。 作者声明 ：文章为原创作品，无抄 袭 剽窃，无泄密及署名和 专利争议，内容及数据真 实，文 责自 负。 6 参考文献 References 1 高林.室内健身器材设计的探析D.上海：同济大学, 2007. 2 张济川. 我国康复医学工程事业发展面临的机遇和挑战 J. 中 国康复医学杂志, 2005, 20(4):288. 3 沈晓军,张晓玉.我国康复辅具发展概况J. 中国医疗设备, 2009, 24(12):1-4. 4 吴翔.工业设计资料集(9). 医疗、健身、环境设施 M. 北京： 中国建筑工业出版社, 2010 :177-19. 5 秦晓勇.康复器械在偏瘫患者肢体功能恢复中的应用 J. 中国组 织工程研究与临床康复, 2011, 15(48):9088-9092. 6 宋伟.康复训练器械的设计J.中国康复