（机械设计及理论专业论文）fes脚踏车结构设计及其辅助电机控制器研究.pdf

哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 摘要 功能性电刺激( f e s ) 技术作为一种康复技术，在临床医学领域具有非 常广泛的应用。国外将f e s 技术应用于截瘫患者肢体运动机能康复的相关 研究已取得显著成就，在我国尚处于起步阶段，部分高校院所的专家学者对 利用f e s 技术康复上肢肢体运动功能和手指的抓握能力等进行了研究，但 对康复截瘫患者下肢运动功能方面的研究，所见报道甚少。本文以前期研究 成果为基础，以应用研究为目的，迸行了利用f e s 脚踏车康复截瘫患者肢 体运动功能的研究，完成了基于f e s 技术的脚踏车的结构设计及参数优 化，设计了电机控制器和基于s i m u l i n k 的电机控制器上位机程序，研究结 果对工程应用具有重要参考价值。 本文在较为详细的综述和分析f e s 脚踏车运动装置的国内外研究现状 的基础上，首次将f e s 脚踏车训练与普通的电动车的使用相结合，提出了 一种新的f e s 脚踏车运动装置传动方案。分析研究了现有运动装置的特点 和应用范围，以斜靠式三轮车为原型，设计出了符合患者特点和训练要求的 新型脚踏车装置。并以人机工程学的相关理论为指导，考虑座椅位置及其尺 寸对患者训练的影响，设计了符合患者身体特点的座椅结构参数，使患者在 骑行时达到最舒适，最省力的姿势，并在此基础上设计计算了脚踏车装置的 其它主要结构参数。 根据f e s 脚踏车训练对辅助电机的要求，合理选用了电机，设计了基 于p w m 调速原理的电机控制器电路。p i 调节器的引入，有效地帮助系统 获得最佳的起动效果。同时，针对电机为有限电源供电的具体应用情况，以 减小电机和功率器件功率损耗之和为目的，计算了控制电路的最佳开关频 率，以提高电源的有效利用率。 最后利用s i m u l i n k 对电机加入p i 调节器之后的起动特性进行了仿真。 并设计了电机控制器的上位机程序，以实现速度的p c 控制，即设计从p c 机到d a 转换卡的数据传输程序模块。考虑s i m u l i n k 多任务方式执行程序 的特点，设计了专门的同步模块，成功的实现系统的实时控制。 关键词功能性电刺激( f e s ) ； f e s 脚踏车运动装置：脉冲宽度调制 脊髓损伤 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t f u n c t i o n a le l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ( f e s ) h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ec l i n i c m e d i c a la r e a ，a so n eo ft h er e h a b i l i t a t i o nt e c h n o l o g y s t h er e s e a r c ho ff e si n f o r e i g nc o u n t r i e sh a sb e e na c h i e v e dr e m a r k a b l es u c c e s s b u t i ti s j u s t a tt h e b e g i n n i gp e r i o di nc h i n a p r e v i o u ss t u d i e sf o c u sa l l t h e i ra t t e n t i o no nt r y i n gt o r e s t o r el o s tf u n t i o no f u p p e rl i m b sa n dg r a s p i n ga b i l i t yo fh a n d ，b u t t h er e a s e a r c h o nr e a c t i v a t i n gp a r a l y z e dm u s c l e so fl e g sh a sb e e nd o c u m e m e dl i t t l e b a s e do u t h ep r e v i o u s l yr e s e a r c ha n da i m e dt oa p p l i c a t i o nr e s e a r c h ，t h es t r u c t u r ed e s i g n a n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no ff e sc y c l i n ge r g o m e t e ra r ed o n e ，a sw e l la st h e m o t o rc o n t r o l l e ra n di t ss i m u l i n k b a s e dh o s tc o m p u t e rp r o c e d u r e a sar e s u l t ， t h er e s e a r c hd i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni s o f g r e a t r e f e r r e n c ev a l u ei n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i nt h i s p a p e r t h ec o n t e m p o r a r yr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ff e sc y c l i n g e r g o m e t e r sa r es y n t h e s i z e da n da n a l y z e dq u i t ed e t a i l e d l ya n d b a s e do ni t ，an e w t r a n s m i s s i o nm e t h o do ff e sc y c l i n ge x e r c i s ee q u i o m e n ti s d e v e l o p e d ，w h i c h f i r s t l yg e t sa ni n t e g r a t i o no fe x e r c i s eo f f e sc y c l i n ga n dd a i l yu s eo fc o m m o n e l e t r i c v e h i c l e t a k i n ga na r c h e t y p ef r o mr e c u m b e n tt r i c y c l e ，an e wp e d a l i n g e r g o m e t e r i sd e s i g n e dt of i tf o rb o t hd e m a n d s o f p a r a p l e g i cc h a r a c t e ra n dt r a i n i n g t h e d e s i g no ft h eo p t i m i z e d s t r u c t u r e p a r a m e t e r s o fs e a ti sd i r e c t e d b yt h e h u n m a ne n g i n e e r i n gt h e o r y , c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fs e a t i n gp o s i t i o na n d s e a t ss i z eo n c y c l i n gp e r f o r m a n c e o f s c i s u b j e c t ，b yw h i c h t h es u b j e c tc a np e d a l i nt h em o s tc o m f o r t a b l ep o s t u r ew h i t hl e a s tf o r c e b a s e do nt h a t ，o t h e rm a i n f r a m e p a r a m e t e r so f t h ee r g o m e t e r a r ed e s i g n e d f o rt h er e q u e s to ff e sc y c l i n g ，t h es t u d ys e l e c t st h et y p eo fp e r m a n e t m a g n e td c m o t o rr e a s o n a b l e l y , a n dd e s i g n sm o t o rc o n t r o lc i r c u i tw i t hp w m s p e e d c o n t r o l p r i n c i p l e i n t r o d u c t i o n o fp i r e g u l a t o rh e l p st h em o t o rt og e t a v a i l a b l ys t a r t i n gp r o c e s s i t a l s o g i v e s t h ec a l c u l a t i o ni n o p t i m i z e d s w i t h f r e q u e n c y o ft h ec o n t r o lc i r c u i ti no r d e rt oi n c r e a s et h ee f f e c t i v eu t i l i z a t i o no f t h e s t o r a g eb a t t e r y f i n a l l y , s i m u l i n k b a s e dh o s tc o m p u t e rp r o c e d u r eo fm o t o rc o n t r o l l e ri s c a r r i e do u tt oa c h i e v ep cc o n t r o lo f v e l o c i t y - t h em o d u l eo fd a t u mt r a n s m i s s i o n i i 竺垒堡三些查兰：耋望圭兰堡堡三 t a k et h ec h a r a c t e r i s t i co fm u l t i t a s kp r o c e s s i n gi ns i m u l i n ki n t oa c c o u n t ，s p e c i a l s y n c h r o n o u sm o d u l ei sd e s i g n e da n dt h e nw ec a ng e tr e a l t i m ec o n t r o l o ft h e s y s t e ms u c c e s s f u l l y k e y w o r d s f u n c t i o n a le l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ( f e s ) ，f e sc y c l i n ge r g o m e t r y , p w m s c i 1 1 1 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 功能性电刺激( f u n c t i o n a le l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ，f e s ) 是近年来康复 工程领域中一个热点研究课题。本课题是本人所在的哈尔滨工业大学f e s 技术研究组与英国格拉斯哥大学( u n i v e r s i t y o fg l a s g o w ) 康复研究中心k j h u n t 教授所在的f e s 研究组建立了良好的国际合作关系，并与格拉斯哥大 学和黑龙江省康复医院签订了长期合作的协议，三方共同致力于f e s 应用 技术的研究总体研究计划中的一部分。 车祸、从高处跌落、竞技运动受伤或其它的外部伤害而造成的脊柱损伤 可能会导致下肢的完全瘫痪，也就是所谓的“截瘫”。由于下肢属于身体重要 的一部分肌肉群，瘫痪后会对呼吸和循环系统造成长期负面的影响。并且， 脊髓损伤还会给患者带来如压痛、骨质疏松和骨骼肌萎缩等严重的并发症 【l 】。从生活方面看。脊髓损伤给患者带来的不仅仅是生理上的更是心理上的 创伤。 f e s 作为一种康复技术，开创了神经肌肉功能恢复与重建的新途径。它 能模仿人脑对肢体的控制方式，由外部仪器产生人工电脉冲微量电流，经由 皮肤，刺激由于高位中枢障碍引起信号传输通路受阻而失去中枢神经控制的 骨骼肌，使由于脊髓损伤、脑损伤等疾病而导致肢体无法动作的肌肉产生收 缩，带动关节按一定的规律运动，从而完成相应的运动功能。医学已经证 实：如果对患者施以无数次这种正确的运动模式，刺激本体感受机制。便有 助于神经系统建立正确的兴奋轨迹f 2 】。而这种兴奋轨迹的建立对肌体的改善 起永久的效应，能够改善和恢复患者的运动功能，同时对患者的心理状态、 新陈代谢及免疫机制等具有重要的调节作用。具体的研究发现利用f e s 脚 踏车一周训练几次，可以给患者心肺功能，身体循环，肌肉大小、强度及耐 力等方面1 3 j 带来许多的好处。长期研究表明该训练还可以减少坐压、减慢泌 尿系统感染的速率和骨质疏松的速率【4 1 。 f e s 脚踏车系统并不需要使用者上身过多的辅助，相较于现阶段在临床 得到广泛应用的行走系统，通过刺激腿部肌肉实现脚踏车运动要易于实现得 多p 1 。但这目前也还处在利用表面刺激的试验阶段，训练过程和舒适程度不 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 是很令人满意。因此，为了使f e s 脚踏车训练系统可以成为一种便利的训 练项目，甚至可以在户外进行，就迫切地需要在该研究方向做出更大的努 力。可以看到利用f e s 脚踏车系统来重建和提高患者自身的功能，对促进 患者独立生活有很大的意义，这不仅可以改善患者本人的生活质量，促进残 疾人重返社会，而且有效地解决了家庭和社会的许多问题。正因如此f e s 脚踏车的研究越来越受到国外专家、学者的高度重视。针对我国残疾人数 多、种类多的情况，f e s 脚踏车康复训练技术的研究更具有重要现实意义和 社会价值。 1 2 f e s 脚踏车系统 f e s 脚踏车系统属于下肢功能重建系统的一种，图1 - 1 所示为典型的 f e s 脚踏车系统闭环控制框图。在这个系统中，可以通过有顺序的刺激患者 控制膝关节和踝关节运动的大的肌肉群来实现下肢的周期性运动。这些肌肉 群包括腿部的股四头肌，臀肌和胭绳肌，有的研究小组只刺激其中的两组， 以具体的控制算法和运动效果为准则。通常刺激电压的范围是2 0 v 到 5 0 v ，频率范围是2 0 h z 到5 0 h z i 。 图1 1f e s 脚踏车闭环控制系统框图 f i g 1 - 1i n t e g r a t e dc l o s e d l o o pc o n t r o ls c h e m eo f f e sc y c l i n g 速度控制的主要目的是使患者实现精确的训练计划；研究蹬踏速度变化 对患者肢体功能恢复的影响，防止对患者造成损害【7 】；选择最有效的训练速 度的前提下，同时考虑肌肉疲劳、痉挛的影响。功率控制的主要目的在于调 节电机辅助功率输出的大小，使患者在外部负载增加或是自身肌肉力量降低 的情况下，仍能依靠电机的补偿作用，实现顺利的蹬踏。 哈尔滨工业大学1 = 学硕士学位论文 其中，曲柄角度的测量对于正确刺激模式的施加起着重要的作用。刺激 模式的确定其实是个医学问题，因为在两条腿蹬车的过程中，腿在不同的位 置上，需要不同的肌肉来产生力，所以在曲柄旋转一周的过程中，并不是三 组肌肉都需要刺激，而是根据曲柄在不同的角度( 相当于腿在不同的位置 上) ，相应地刺激起主导作用的某部分肌肉。具体的刺激模式如图1 2 所 示。图中的弧线表示每组肌肉被刺激的角度范围。它是每组肌肉在固定的条 件下( 即在曲柄的固定点上) ，通过人工确定相应的位置，在这些位置通过 刺激相对应的肌肉而产生所需要的正力矩。 ( a ) 静态的刺激模式 ( a ) s t a t i cs t i m u l a t i o np a t t e r n ( b ) 在速度为5 0 r p m 时的刺激模式 ( b ) s t i m u l a t i o np a t t e r na t5 0r p m 图1 - 2 肌肉优化的刺激模式【4 1 f i g i - 2m u s c l es t i m u l a t i o np a t t e r n 1 3f e s 脚踏车系统的研究现状 从1 9 6 1 年l i b e r s o n 等人刺激腓骨校正半瘫痪者足下垂将功能性电刺激 引入到重建瘫痪肢体运动中后，f e s 技术被广泛地应用于康复工程，具体为 上肢肘关节的位置控制，手部抓握功能的重建，下肢瘫痪者行走功能的恢复 等方面。其研究领域包括电极及其使用方式、刺激系统、传感器、肌肉骨骼 动态模型、生理学模型以及肢体运动控制方法学等，并在这些方面取得了许 多突破性的进展。f e s 的研究被认为是重建肢体运动功能方面最有前途，也 是最具有挑战性的一个领域。2 0 世纪8 0 年代是f e s 的全盛时期，研究者们 发现电刺激作用下腿部周期运动对于截瘫患者康复的重大作用，并开始努力 将其应用到临床治疗中去。1 9 8 4 年出现了商业的f e s 脚踏车治疗器械的雏 形e r g y s ，从而吸引了更多的研究人员的关注i 引。 1 9 8 3 年，g l a s e rr ，m 等人研究了利用通过电刺激患者的腿部肌肉使其 能蹬踏三轮车实现运动的可行性。研究中将患者安置在经过特殊改装过的三 轮车上，通过控制放置在患者腿部股四头肌处的表面电极，成功地使截瘫和 四肢瘫痪的病人实现了预期的运动，并提出该运动对患者自主运动能力、下 肢循环系统、心肺功能、肌肉体积及骨骼密度等方面的改善作用。同年， p e t r o f s k yj s 等人也开始了f e sc y c l i n g 康复技术的研究，他们在三轮车上 安置了用于检测脚蹬角度的传感器，利用a d 采集卡将信号传递给单片 机，实现了腿部的数字控制，指出了f e sc y c l i n g 锻炼对于截瘫和四肢瘫患 者防止肌肉萎缩方面的功效【9 j 。 1 9 8 9 年，d j p o n s 等人设计的脚踏车中考虑了使用对象为截瘫患者的 因素，改进了座椅，并利用绷带将患者和脚蹬固定以保证踝关节的稳定，使 患者更容易地实现蹬踏运动。由于在系统中加入辅助电机，他们所设计的脚 踏车可以在室内和户外进行训练，增加了患者训练的乐趣。他们还研究指出 了f e sc y c l i n g 进一步研究患者利用电刺激进行蹬踏运动时肌肉力学和动力 学特性的必要性 1 0 】。但未见有具体患者使用的报道。 1 9 9 2 年，s p _ h o o k e r 等人对比研究脊髓损伤患者使用f e sc y c l i n g 训练 和使用手臂训练的效果。实验中十名患者在商用f e s 脚踏车训练装置 e r g y si 长达1 2 - 1 6 周的，每周2 - 3 次，每次1 0 3 0 分钟的训练，每个训练 周期内功率输出从0 w 增加到3 6 6 w 。通过两种训练前后对患者进行了有氧 运动消耗，肺活量以及血液动力学响应等测试，用具体的百分数表征了患者 在上述方面的明显改善l l “。 1 9 9 3 年，l i s am s c h u t t e 等人指出研究影响肌肉刺激产生力大小，肌肉 完成所需要运动能力以及这一过程中有氧呼吸状况的因素。他们建立并利用 肌肉动力学模型分析了腿部肌肉在电刺激作用下运动中的主要问题，包括： 如何让s c i 患者有一个平稳的运动频率；通过怎样的调节能使各肌肉独立 运动；如何根据蹬踏的频率来估计患者新陈代谢的能量使用率等。他们还研 究提出了患者在输出力最小的情况下实现蹬踏运动或者提高训练中心肺有氧 运动能力的一些具体的策略【l a 。 1 9 9 6 年，r o g e rm g l a s e r 改进了e r g y s 系统，并把加在腿部股四头 肌，臀大肌以及胭绳肌的刺激电流从1 4 0 m a 增大到3 0 0 m a 。通过8 名患者 测试证明了其改进在最大新陈代谢速率和肺活曩方面显著的提高【1 3 】。 1 9 9 7 年，c h e nj i a j i n 等人将模糊控制理论应用到f e s 脚踏车系统控制 器的研究中，用以实现系统参数的在线实时控制。研究中他们采用了自适应 啥尔滨t 业大学工学硕士学位论文 模糊控制器( 简称a f l c ) ，并取得了满意的效果，能对患者进行行之有效 的脚踏车训练。基于a f l c 控制策略通过一个d s p 处理器实现系统的控 制，并为l 临床应用提供了一个小巧而紧凑的控制装置。但是由于系统参数是 在实验中选取的，有可能存在错误，从而影响这一控制策略应用于大量临床 实验 1 4 】。 2 0 0 1 年。m a r g i to 硒t h e r 等人独辟蹊径，从f e s 脚踏车系统的几何结构 方面入手，通过将肌肉力转化为驱动力的方法，研究如何使其获得更高的效 率。他们指出脚踏车几何结构方面的影响不仅包括用于产生力矩的独立参数 还包括了瘫痪病人个体的差异。他们设计了一个可以自由调整主要参数的附 带了驱动电机的测试装置，它能测量脚蹬曲柄上动态或者静态的驱动力。在 对患者个体进行测试时对传统的圆形脚蹬路径进行了优化，使蹬车的效率达 到最高【1 5 】。 2 0 0 2 年，k j h u n t 等人在肌肉刺激强度与f e s 脚踏车速度响应动态模 型进行估算的基础上建立了一种自动控制速度的新方法。该方法以系统辨识 为基础具体包括以下两个步骤：一方面通过辨识确定刺激强度变化引起的脚 蹬速度变化的开环响应，由测量确定线性输入输出模型的参数：另一方面， 用确定的模型分析设计闭环的速度控制器。这种简单的测试设计方法使 得控制器可以应用到每个患者并保证精确的控制，同时该方法具有跟踪任意 速度和抵抗干扰( 主要为负载和摩擦) 的能力 1 6 1 。 2 0 0 3 年，p r i s ac e s e r 等人将研究的重点转移到刺激频率对f e s 脚踏车 输出功率的影响上，同时也考虑了患者进行训练的肌肉疲劳问题。通常f e s 脚踏车系统的电刺激频率为3 0 h z ，当他们把频率增加到5 0 h z 。6 0 h z 时， 发现功率输出仍然连续，并分别有1 9 ，2 5 的增幅。每个训练周期末的一 分钟内，功率达到最大值，远远高于平均功率，但未发现肌肉疲劳现象。因 此他们指出如果想要在3 0 分钟的训练周内达到较高的功率输出，刺激频率 最少应为5 0 h z t l7 1 。 2 0 0 4 年，在前期研究的基础上。各个研究小组投入了更多的精力，以 使f e s 脚踏车系统能更加有效地帮助截瘫患者实现康复。h u n t 等人提出了 可以同时对速度和功率进行控制的双闭环控制方法1 1 8 】，并取得了很好的效 果。m g r i h l e r 等人将传统的脚蹬改进为一种可实现不对称蹬踏的四杆机构 ，并以腿部最大输出功率为目的函数对优化该机构，进而提高了系统的 效率。k u o h s i a n gc h e n 等入设计出了一种集手臂训练与腿部训练为一体的家 用的混合型f e s 脚踏车系统f 2 们，从而扩大了f e s 脚踏车系统的应用范围， 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 使患者更加方便的进行康复训i 练。 在国内，哈尔滨工业大学联合黑龙江省康复医院从2 0 0 3 年起即开展了 用于下肢康复f e s 脚踏车系统的研究，已成功地研制出f e s 脚踏车的机械 装置及其相配套刺激器，并研究了利用鲁棒p i d 控制算法对系统进行速度 控制，该控制器大大地改善了系统的鲁棒性能【8 】，计划于2 0 0 5 末开始在省 康复医院进行临床应用。 1 4 本课题的主要研究工作及内容 本文的主要研究内容有以下几部分组成： 1 收集整理资料，全面了解国内外现状及发展动态，对相关文献和资 料进行学习和研究的基础上，阐述了f e s 脚踏车系统的主要功能和工作原 理： 2 从使用对象为截瘫患者的角度，对f e s 脚踏车的关键技术进行分 析，在现有装置的基础上，对其传动方案作出改进，设计出康复训练与普通 电动车相结合的脚踏车装置，并根据人机工程学的相关理论，对脚踏车座椅 的位置和结构尺寸进行优化，并在此基础上设计其它结构参数。 3 根据脚踏车系统对辅助电机的要求，选用了永磁直流电机，以减少 功率器件和电机的损耗为目的，计算出电机控制器的最佳开关频率并设计 p w m 调压调速原理的电机控制器。 4 通过s i m u l i n k 软件相应的模块，设计电机控制相应的上位机程序， 实现电机速度的p c 控制，并解决程序执行的实时性问题。 5 ，对研究工作进行全面总结，给出本文的主要结论。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章f e s 脚踏车机械装置结构设计 2 1 引言 机械装置作为患者的载体，帮助患者舒适轻松地实现腿部的圆周状的曲 伸一一类似于正常人骑自行车时的运动，这也是系统名称的由来。已有的 f e s 脚踏车系统中机械装置多为三轮车的形式。奥地利维也纳大学的 w e m e rr e i c h e n f - e l s e r 等人提出了应用于截瘫患者下肢康复的f e s 脚踏车的 基本要求1 2 l l ：在充分考虑脊柱损伤患者的特点的基础上要有良好的稳定 性；要便于患者在轮椅与脚踏车间转移；其主要结构参数具有可调整性；便 于安置使用辅助电机。 本章在总结现有的f e s 脚踏车装置优缺点的基础上，针对本文的设计 目标，对传动方案做出了改进，并分析了改进后机械装置具体的工作过程。 同时利用人机工程学的相关知识，建立了人体腿部与脚蹬的运动模型，通过 分析不同参数对人体下肢位姿影响，对脚踏车的座椅位置尺寸进行了优化。 2 2f e s 脚踏车机械装置方案设计 目前国内外的f e s 脚踏车机械装置主要有以下三种形式：改装斜靠三 轮车装置、e r g y 系列康复训练装置和电刺激踩车装置。这三种形式的f e s 脚踏车装置各有特点，适合于在不同环境下进行训练。针对本文提出的使训 练在户外方便进行的目的，对改装型三轮车装置进行了分析，同时研究了当 使用对象为截瘫患者时装置应具有的特殊性，为f e s 脚踏车装置的设计制 造提供依据。 2 2 1 典型f e s 脚踏车装置的比较 f e s 脚踏车系统的研究已经取得了很大的成果，所采用的机械装置也不 尽相同，在我国还处于刚刚起步，因此设计时应充分借鉴国外成功的经验， 可以达到事半功倍的效果。 首先根据以下三种机械装置的实际使用情况，从f e s 脚踏车系统训练 过程的以下各方面进行具体的考察现有装置存在的问题： 哈尔滨工业大学1 = 学硕士学位论文 = o = = = = =：= ：= = = = = = = = ! = = = ! = ! = = = ! = = = ! = = = = = = = = = = ! ( 1 1 使用该种装置的患者之前是否需要电刺激的适应性训练，以及需要 训练到什么程度； ( 2 1 患者从轮椅到脚踏车机械装置之间的转移； ( 3 ) 开始训练前辅助设施的装备： ( 4 1 脚踏车的启动方式及转换方法： ( 5 ) 进行训练的环境。 表2 1 典型f e s 脚踏车装置的比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no f t y p i c a lf e sc y c l i n ge r g o m e t e r s 类型改装的斜靠三轮车装置 e r g y s2 康复训练装置混合式鼋刺激踩卓2 2 】 实物图 提前辅 3 个月以上可直接进行训练3 个月以上 助训练 转移需要家人或医生的帮助需要家人和医生的帮助病人可独立完成 起动 通过电机辅助通过电机辅助通过上肢辅助 问题 工作 康复中心家庭使用康复中心或家里 环境 价格 _ $ 8 0 0 0 _ $ 4 0 0 0三$ 1 5 0 0 显著 可在户外进行技术成熟、稳定性好上下肢混合训练 特点 其次，结合患者和临床医生使用时的意见，可以发现f e s 脚踏车系统 现存的以下几方面的问题： ( 1 ) f e s 脚踏车使用方面。控制手柄的设置虽然有利于患者实施控制训 练的强度，但是却严重的妨碍了患者在轮椅和脚踏车之间的转移； ( 2 ) 机械装置的突出部分最好都覆盏有柔软的树垫，以防止患者不经意 间擦伤或碰伤皮肤； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论立 ( 3 ) 整个机械装置的体积较大，医院或家庭使用时需提供较大的空间； f 4 1 为了使训练不仅仅局限在医院进行，机械装置的设计须考虑装备一 整套的刺激器和控制器等设备； ( 5 ) 整套训练系统的价格偏高，不利于普通患者个人独立承担。 本文的设计目标是一种集运动休闲与康复训练为一体的价格低廉的新型 的f e s 脚踏车。该装置在通常情况下可以看作是面向截瘫患者的电动车， 能帮助患者以车代步，为其出行、游玩提供方便；同时当患者需要功能性电 刺激训练时，又可作为f e s 脚踏车训练装置。患者可以根据自身的情况随 时随地的进行训练，还可以在医生的参考意见下设定训练的强度、时间，使 训练更加的便捷，随意。 通过以上三种典型f e s 脚踏车装置的比较，发现g l a s g o w 大学的改装 式三轮车的结构，是唯一可以室内室外同时训练的装置，因此，设计时以该 装置为蓝本。 2 2 2 符合脊髓损伤患者训练特点的设计 脊髓损伤型截瘫患者由于肢体瘫痪运动不便长期卧床，造成了肌肉力量 的大幅降低，约为正常人的1 0 5 0 驯，因此在进行f e s 脚踏车训练时要 特别注意骑行速度和坐姿。特别的，当患者在训练过程由于肌肉力量不足 或是肌肉疲劳时，需要在系统中加入辅助电机，以协助其完成蹬踏训练。 2 2 2 1 骑行速度骑行速度，在这里具体指的是当f e s 脚踏车处于训练模 式时，患者蹬踏脚凳的速度折算到后轮输出轴后的速度。 在进行f e s 脚踏车训练时，患者脚踏速度的快慢直接关系到患者训练 的效果。实验研究表明，当刺激器发出的刺激电流的频率为2 0 h z 时，患者 脚踏的速度一般为1 5 3 5 r m i n 之间， 这时患者会处在最舒服的状态【2 4 1 。 g l a s g o w 大学的研究中的3 名脊髓损伤患者，在训练几个疗程后，可实现 5 0 r r a i n i l s 的蹬踏速度。因此，一方面为了使患者在不需要进行预先f e s 适 应性电刺激的状态下，即可以轻松的实现蹬踏运动，另一方面，患者在训练 的过程可以根据自身的肌肉状况调整蹬踏速度，加强i jj i 练效果，本设计中将 脚蹬速度设定在( 1 0 6 0 ) r m i n 范围内可调。 假设脚蹬轴与后轮输出轴之间的传动比为，那么，整个f e s 脚踏车 的骑行速度应为( 1 0 f ，6 0 厶) r m i n 范围可调。 2 2 2 2 坐姿f e s 脚踏车相较普通三轮车为帮助患者获得一个舒适的骑行 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 姿势，作了一下改进： n ) 将一轮转向轮在前两轮在后的机构改为，两转向轮在前，一主动轮 在后。两前一后的结构有助于整车长度的减小；有助于将座面高度大幅度的 降低从而增加整车的稳定性能；增如美观效果；更有利于转向，避免了出于 负载过大而造成的转向时前叉被压变形的情况。 ( 2 ) 将鞍座改为座椅结构。虽然体积和面积增大了很多，但使骑乘者整 体运动姿势得到了改善。一方面使其进行训练时身体斜靠在座椅上，脊髓最 接近于自然状态，增加其舒适度：另一方面，患者在采取坐位的时候，臀部 和大腿的肌肉和脂肪会保护神经和血管丰富的坐骨生殖区不受或者很少受到 压迫。而这些肌肉和脂肪中并不包含重要的血管或者神经，从而，不会引起 坐骨生殖区的疲劳和不适 2 5 】。其具体的结构尺寸会在后节作详尽的计算。 ( 3 ) 摒弃车把作为身体辅助支撑的作用，增加其控制功能，同时增加了 如图2 1 所示的踝关节固定装置。其具体作用在于：固定患者的踝关节，防 止在蹬踏过程中产生的扭伤：尽量使患者的腿部在一个平面内运动，以增大 有效地蹬踏力；简化肌肉动力学模型。 图2 一l 踝关节固定装置 f i g 2 1a n m eo r t h o s i sa r r a n g e m e n t 2 2 2 _ 3 辅助电机大量的研究已表明应用脚踏车系统可以在短时期内使得 患者腿部力量有明显的改善，但是当患者被刺激肌肉疲劳增加腿部输出功率 减小或者是户外训练时受到风力、坡面的影响时( 即外部负载功率增大的情 况下) ，仅依靠患者自身的力量维持一定的蹬踏速度就显得困难的多。c h c n j i a j i n 的等人研究表明在电刺激作用下实现脚蹬车运动整个训练中，患者腿 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 部只能保持较高的蹬踏速度一定的时间【2 “。另外，在f e s 训练的最初阶段 肌肉也不可能产生足以实现蹬踏运动那么大的功率。这种情况下，辅助电机 的使用就十分必要了。具体为以下几点： f 1 ) 能抵抗外界因素的影响( 风力和斜坡) ； ( 2 ) 能补偿由于肌肉疲劳和虚弱而引起的功率损失； ( 3 ) 即使是腿的输出功率很小，车也可以运动： ( 4 ) 可以实现任意腿的功率增加： ( 5 ) 车速可以在任意增加大小。 ( 6 ) 针对于本文设计机械装- 置，电机在脚踏车起动过程起了主导作用。 下面就最后一条作具体研究。考察脚踏车起动和平稳运行时所需的驱动 力情况。脚踏车直线行驶的运动方程为【27 j ： f t = f t 七f f 七f 。七f 。1 尸= g e o s i 只= f g s i n i = 纂 f ：三j 旦一d u7 1 8gd t d ：1 + 墅 g r 式中f 驱动力( n ) ； f 坡道阻力( n ) ； f ，滚动摩擦力( n ) ； 昂空气阻力( n ) ； 只加速阻力( n ) ； j 坡度角： g 车重( 不舍负载) ( 埏) ； ，滚动摩擦阻力系数； c d 空气阻力系数； 一迎风面积( m 2 ) ； “车速( k m h ) ： ( 2 1 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ，转动惯量( k g m 2 ) ； r 车轮半径( m ) ； 占质量折算系数，即旋转质量折算入整车质量所乘的系数 车能够行驶起来的条件有两个， ( 1 )f 只+ t + c + ( 2 - 2 ) ( 2 )巧( 艺= ( a g c o s i ( 2 3 ) 条件( 1 ) 即车行驶的驱动力耍大于行驶阻力，条件( 2 ) g p 车的驱动力要小 于地面附着力。妒为地面附着力，e 艺则驱动打滑。妒值与车速及路面性 质有关，与车速成正比。通常车速下，妒值相对较小，平路行驶远不会达到 附着极限，f e s 脚踏车的车速一般都限制在2 0 k m h 必内，条件( 2 ) 总是可以 满足的。滚动摩擦阻力系数厂的值也与车速及路面性质有关，但在车速较低 时，厂值基本不变。在f e s 脚踏车的车速范围内，值是不随车速变化 的。因此，当脚踏车行驶在水平路面( 坡面倾角为零) 的情况下时，驱动力 的大小与空气阻力昂以及加速阻力f 有关。由式( 2 1 ) 中易得，e 与脚踏车 的加速度成正比，露与脚踏车速度的平方成正比。在车子起动瞬间，其加 速度可以认为是无穷大，虽然在速度慢慢稳定的过程会逐渐减小，其值在起 动过程中仍远大于速度值。从而，使得脚踏车在起动过程驱动力要大于平稳 状态下的驱动力。 为此，当患者特别是没有经过电刺激训练的患者进行脚踏车训练时，辅 助电机在车子起动过程的作用显得至关重要。 2 3 传动方案的改进 迸一步研究g l a s g o w 大学的f e s 脚踏车装置发现，其脚蹬轴与后轮驱 动轴之间、电机轴与后轮驱动轴之间都是由固定齿轮链条联接，如图2 - 2 ( a ) 所示。因此，患者进行蹬踏时，即使腿部没有施加电刺激信号，由于添加了 屯机辅助的作用，下肢也会在电机轴的带动下做被动的蹬踏。这样传动结构 虽然可以保证患者在足蹬力很小的情况下仍可以实现腿部周期性的曲伸运 动，但也为患者的训练打来了以下的不便： ( 1 ) 患者一旦开始了训练，下肢就被固定在一个不变的运动状态，当患 者需要调整腿部伸展程度以达到最优蹬踏状态时，下肢的姿势的改变受到了 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 阻碍； ( 2 ) 脚踏车在行进过程中，当患者肌肉发生疲劳、痉挛或拉伤等症状 时，不能单独停止或重新开始新的电刺激训练； ( 3 ) 患者只能按规定的训练计划进行，由于下肢的运动受到电机的牵 连，训练时间受到限制。 后轮中心轴 后轮中心轴 ( a ) 现有传动方案 ( b ) 改进后传动方案 图2 - 2 改进前后传动方案示慈图 f i g 2 2s c h e m e so fi m p r o v e dt r a n s m i s s i o na n db e f o r e 针对以上问题，考虑患者在训练过程或间歇中可以随时停止蹬踏的要 求，电机轴与脚蹬轴之间应各自分开。电机对脚踏车的驱动不直接影响患者 的蹬踏运动，只是起一个适时辅助的作用，而不是一味的强迫性的带动患者 下肢进行训练。同时，也只有这样才能使患者不训练时将其作为普通的电动 助力装置。 综上考虑，针对本文的设计目标，为实现电力驱动起动与骑行，人力可 在骑行过程任意参与，仍能保持速度稳定的即具有即可电动又可人力蹬踏， 且能同时进行互不影响功能的f e s 脚踏车，本设计对其传动装置做了改 进，将电机轴和脚踏轴分别通过棘轮机构与后轮输出轴相连，具体如图2 2 ( b ) 所示。 众多周知，单向式棘轮机构的特点是摆杆向一个方向摆动时，棘轮沿同 方向转过某一角度；而摆杆向另一个方向摆动时。棘轮静止不动。自行车 每 后链轮体积小，价格便宜，正向拨动旋转，反向打滑，是机构中典型的棘轮 机构。后轮输出轴双棘轮结构的应用，一方面保证了电机轴和脚蹬轴对后轮 轴的单项驱动能力，另一方面保证了后轮轴的驱动只能是电机或人力两者中 的一个，从而实现了系统所要求的功能。 改进后的系统完全可以工作在所要求的两种模式下 ( 1 ) 完全电动模式 此时的f e s 脚踏车就相当于一个电动助力三轮车，只是在外形结构作 了改进，使其更符合截瘫患者的特点。在这种工作模式下，患者可以通过左 手的控制手柄随意调节助力车的起动、停止以及行驶速度的大小，可以通过 双手转动转向手柄调整车子行驶的方向。这部分的电气装置，采用自行车市 场通用的3 6 v 电动自行车控制器就可以轻松实现，本文不作研究。 ( 2 ) f e s 脚踏车训练模式 在这种模式下，根据患者各自的身体状况，确定刺激强度和脚蹬轴的转 速的参考值，并将这些信号输入p c 机，p c 的输出经过d a 转换输入到电 机调速控制器。此时患者通过脚踏和电机同时对脚踏车施加驱动力矩。由于 电机的起动速度远大于患者，所以，起动初期电机力矩为脚踏车的实际驱动 力矩。这一过程一直持续到患者脚踏力矩折算到后轮输出轴的转速大于电机 力矩折算到后轮输出轴的转速。之后，脚蹬力矩成为实际驱动力矩，脚踏车 完全为人力驱动，与电机相连的飞轮空转。当患者进行蹬踏一定时间后，发 生肌肉疲劳、痉挛等状况，或是整车路面负载增大时，由于患者输出功率受 限，导致整车速度下降低于额定转速，电机力矩再次成为实际的驱动力矩， 保持整车稳定在一固定的速度值。 2 4 座椅的优化设计 在f e s 脚踏车装置中，座椅和人体构成一个人机系统，座椅的空间位 置以及结构不仅直接影响到患者在骑乘时腿部和身体的舒适度，而且对减少 肌肉疲劳具有重要意义。 人机工程学是研究人、机械及其工作环境之间相互作用，使设计的机器 和环境系统适合人的生理、心理特点，达到安全、健康、舒适和工作效率的 最优化的新兴边缘学科【2 8 】。本节以人机工程学理论为基础，运用人体孵剖 学、人体测量学、人体运动学等人体科学的相关知识，对座椅与人体这一人 机系统相互协调的相关问题进行了深入研究，使f e s 脚踏车更加适合于适 应症患者的需要。 2 4 1 座椅设计的基本原则 2 4 1 1 人体脚蹬车的运动分析患者在蹬脚踏车时，身体后倾斜倚在靠背 上，身体的重心落在座椅上，双臂弯曲平行于身体两侧，两手握把，臀部坐 在座椅上，两个坐骨结节支撑上身重量，臀部臀大肌和皮下脂肪起到缓冲作 用，同时，背部有靠背支撑也起到辅助支撑的作用。双脚通过特殊装置固定 在脚蹬上。蹬踏踏板的时候，大腿以坐骨结节为支点做曲伸运动。大腿曲髋 时骼腰肌、骨直肌分别收缩；伸髋时臀大肌、骨二头肌、半腱肌、半膜肌分 别收缩。 人体测量学的研究表明，大腿相对于髋关节做曲伸运动时，前弯、后弯 的角度范围为( + 1 2 0 _ 一1 5 。) 。处于坐姿时，其相对于座面的调节范围为 ( 0 。1 5 。) 。小腿摆动时与大腿之间的运动范围为( 4 5 。1 8 0 。) ，坐姿时考虑座 位的影响其运动范围为( 9 0 。一1 8 0 。) 【2 9 】。 人体力学的研究表明，脚产生的力的大小与下肢的位置、姿势和方向有 关。坐姿有靠背支持时，两脚可产生最大的力。图2 - 5 为人体在不同体位下 产生的足蹬力的示意图，可知，膝关节角在( 1 5 0 。1 6 5 。) 之间时腿输出的足 蹬力最大。 图2 - 3 不同体位下的足蹬力1 3 q f i g 2 - 3p e d a l i n gp o w e ro f d i f f e r e n tb o d yp o s t u r e 2 4 1 2 设计原则具体如下： ( 1 ) 座椅与脚蹬曲轴的相对位置要选择适当，使人体方便地实现蹬踏运 动，两腿