徐光远,陶卫军,潘国义,孙明亮

(南京理工大学机械工程学院江苏南京210094)

0 前言

由于工作压力大、长时间伏案工作或身体机能退化而导致的腰背部和肩颈部不适或病痛,在职场人员和中老年人群中越来越呈现扩大发展趋势,已成为影响人们工作生活的一种常见多发病[1,2]。针对这一现状,非常有必要来开发具有腰背部和肩颈部健康增进功能的康复装置,对腰背部和肩颈部进行疾病预防和辅助治疗。

目前,在腰背部康复装置的研究方面已有一些研究成果,其中杨剑雪等人开发的腰部助动康复器[3]、王克义等开发的绳索牵引康复机器人[4]和李先花等人开发的扭腰康复训练机[5]主要通过机构促使腰部运动来锻炼腰背部肌肉,但其机构运动限于一维空间,导致其仅对部分腰背部肌肉群具有锻炼效果;日本学者Youichi Shinomiya等人[6~8]基于乘马疗法的原理开发了一种基于Staward并联机构平台的乘马疗法器械,通过机构的三维运动对腰背部肌肉进行全面锻炼并进行了大量的实验验证。在肩颈部康复装置的研究方面,现有技术主要采用运动按摩的原理,已有不少相应产品得到实际应用[9,10]。

针对腰肩疾患多发这一现状,从综合解决腰背部和肩颈部的康复锻炼问题出发,提出了一种同时具备腰背部乘马式疗法康复锻炼功能和肩颈部按摩式康复锻炼功能的新型电动腰颈部锻炼装置,并对机械结构和控制系统进行了设计,在分析其机构运动学的基础上对腰背部锻炼效果评估方法进行研究,并通过制作的样机进行了基础的验证实验。

1 方案与工作原理

从方便家庭和办公环境使用出发,考虑结合常用靠椅的功能来开发这一同时具有腰背部锻炼功能和肩颈部按摩功能的新型电动锻炼装置。其中:肩颈部锻炼功能模块设置在靠椅的靠背上、并由一台电机通过偏心轮驱动机构实现对肩颈部的按摩功能;当将靠椅的靠背折叠至与椅面重合的位置后,由另一台电机通过组合机构驱动靠背进行空间三维运动来实现基于乘马疗法的腰背部锻炼功能。使用者用作靠椅、进行肩颈部按摩和使用腰背部锻炼功能时的装置状态分别如图1(a)－(c)所示。

图1 整体设计方案

肩颈部按摩机构设置在靠椅的正面,如图2(a)所示。步进电机1通过齿轮组1驱动轴1旋转并带动轴1上固定安装的一对偏心轮转动,偏心轮每转一周其轮缘伸出并按摩靠在靠背正面使用者的肩颈部一次。其按摩频率和速度可通过控制步进电机的转速来实现。

图2 驱动结构原理图

腰背部锻炼机构设置在椅面下方,由直流电机2经减速器和锥齿轮组把旋转运动传递给轴3,如图2(b)所示。此时,靠背经向椅面折叠后可让使用者乘坐,轴3每旋转一周整个靠背会按设定曲线摆动一次,结构原理如图3(a)所示。同时,整个靠背、曲柄摇块机构及轴3,在轴3上曲柄b的驱动下,绕机架法线左右摆动,结构原理如图3(b)所示。将曲柄a和曲柄b单独作用引起的前后移动和上下摆动与左右摆动进行运动合成,即可得到类似横‘8’字的运动轨迹。椅背背面沿此三维轨迹曲线运动时会使骑坐在上面的使用者在维持身体平衡的过程中下意识地使用腰背部肌肉,从而达到锻炼腰背部肌肉的效果。这种腰背部肌肉锻炼类似乘马疗法中使用者乘马行走时得到的效果。

图3 运动系统结构简图

2 运动学分析

2.1 坐标系的建立

确定腰背部锻炼机构由曲柄摇块机构和空间曲柄摆杆机构的组成后,进一步推导椅背背面中心点Q的运动学反解。以轴2和空间曲柄摆杆机构的机架为研究对象,设定坐标系如图3(b)所示。其中:基准坐标系ΣO以空间曲柄摆杆机构的机架中点O为坐标原点,x轴、y轴正方向分别为靠椅的右方向和前方向;刚体坐标系ΣN以空间曲柄摆杆机构的机架中点为坐标原点,xN轴、yN轴正方向分别为轴2右方向和前方向。

在基准坐标系中:轴3中点、左点、曲柄b顶点、左支架下点记为 A、B、C、D;各点间距离分别用 rb、l2、l3、l4和 l5表示;OA与x轴正向间夹角记为β;曲柄b与平面xoz间夹角记为 α,其值为 90°＋ω2t。

在刚体坐标系内:轴2顶点和滑动杆顶点分别用S、P表示;曲柄a和轴2长度记为ra和2l1;曲柄a与竖直方向的夹角记为 θ,其值为 0°＋ω1t。

在这里,Q点在刚体坐标系ΣN内的位置用向量PQd表示,在基准坐标系ΣO内的位置用向量PQj表示,两坐标向量之间的转换有:先在基准坐标系内的做一个平移变换,再在刚体坐标系内绕y轴做角度为β旋转变换,关系写出如下:

2.2 曲柄摇块机构运动学分析

单独分析曲柄a做角速度为ω1的圆周运动时,其旋转中心S点始终保持在xN轴上,故S点坐标不变,记为(l1,0,0)。从而推出旋转顶点P的坐标:

在旋转平面内,Q点的投影为Q',只考虑曲柄摇块机构运动时,Q、Q'点的xN轴坐标相同并保持不变,如下图4(a)所示。

在旋转平面内,分析yN、zN方向的位置关系有:

依据图中θ和γ的关系:

图4 结构简化图

从而得到刚体坐标系ΣN内Q点的坐标:

2.3 空间曲柄摆杆机构运动学分析

空间曲柄摆杆机构的驱动结构是一对匀速圆周运动的曲柄b,考虑到两曲柄间相位差为180°,其他机构对称,现分析左半部结构的运动情况,其简示图如图4(b)所示。

在基准坐标系内,四边形AOBD始终保持在xoz平面内,BC绕AB以ω2的角速度匀速旋转,连接BD,推得BC绕AB转过的角度α同为BC与xoz平面间夹角。

在△BCD,DC为摇杆,其长度l4保持不变。应用余弦定理有:

联立式(8)、式(9),有:

式(10)中只含有未知量α,其余均为已知量,而α为可用t的函数表示,故可解得β＝f ω2t( )的表达。

综上所述,在基准坐标系ΣO内,椅背背面中心点Q的运动学反解:

结合matalab软件,对上述运动方程进行仿真计算,得到角度β和基准坐标系ΣO内Q点坐标位置随时间的变化如图5所示。

图5 运动变化仿真图

从图5仿真结果得知,该新型腰颈部康复装置的运动基本为对称的左右摆动,其运动轨迹基本符合空间横‘8’字曲线,运动形式与乘马运动相近。

3 机械结构设计与分析

3.1 整体结构设计

根据其工作原理,新型电动腰颈部康复装置总体结构如图6(a)所示。其主要由底座、腰背部锻炼机构、椅面、肩颈部按摩机构和靠背组成,腰背部锻炼机构设置在椅面下方并安装在底座上,肩颈部按摩机构设置在靠背正面、其偏心轮可从靠背正面上的矩形窗口反复伸缩来对靠背上使用者的肩颈部进行按摩。靠背通过转轴与椅面连接并能绕此转轴折叠至椅面上,靠背从人因工程学的角度出发进行设计,其背面为两端高中间低的波浪形曲面以便折叠后使用者骑坐。

图6 三维结构图

3.2 肩部按摩器设计

所设计的肩颈部按摩机构设计成一个独立模块以便于在靠背上的安装和高度调整,其具体结构如图6(c)所示,主要包括固定板、步进电机、电机座、小齿轮、大齿轮、转轴、一对轴承座和一对偏心尼龙轮,其中步进电机通过电机座固定在固定板上,其输出轴上的大齿轮与转轴1上安装的小齿轮相啮合,转轴1通过两侧的一对安装在固定板上的轴承座进行支撑,一对偏心尼龙轮固定在转轴1上并在转轴1转动时对使用者肩颈部进行按摩。

3.3 腰部锻炼机构设计

腰背部锻炼机构可分为动力驱动机构、曲柄摇块机构和空间曲柄摆杆机构。其中动力驱动机构由直流电机2、减速器、机架、如图6(d)。转轴2和转轴3旋转分别驱动曲柄摇块机构和空间曲柄摆杆机构来实现腰背部锻炼所需的三维空间运动,具体结构如图6(b)所示。实现椅面在前后和上下方向的运动。空间曲柄摆杆机构同样有左右分布且曲柄转角相位相差180°的两组,曲柄摇块机构和空间曲柄摆杆机构运动综合后使得整个装置实现所要求的空间三维运动,以实现使用者骑坐时腰背部锻炼效果。

总结而言,在机械结构设计方面,该新型腰颈部康复装置实现了一个电机多种用途和各机构之间的有效融合。轮椅基本构架用铝合金材料焊接而成,结构紧凑,总体重量较轻,适合在室内外使用。

4 控制系统设计与效果评估

4.1 控制系统设计

新型电动腰颈部锻炼装置控制系统包括运动控制系统和生理信息监测与评估系统。通过运动控制系统来控制腰背部锻炼机构和肩颈部按摩机构的启动和停止,并对其工作速度进行分档调节。其中,腰背部锻炼机构的工作速度设置为4档,对应使用者对腰背部锻炼强度的不同要求;而肩颈部按摩机构的工作速度为连续调节,可根据使用者的需求调整到合适的按摩工作速度。生理信息监测与评估系统主要通过对腰背部锻炼过程中使用者心率变化进行监测,通过特定算法对其运动状况和消耗能量进行分析和评价,以保证使用者对腰背部锻炼功能的合理使用。整个运动控制系统基于51系列单片机系统进行开发,其控制系统构成如图7所示。

图7 控制系统构成图

4.2 效果评估方法

锻炼效果评估针对相对运动强度较大的腰背部锻炼功能,通过监测使用者心率变化来评估其锻炼过程中能量消耗情况。研究表明,人体在带负载运动时,其平均能量代谢率随运动负荷的增大而增大,使用者心率变化与所消耗能量间的存在一定相关性[11,12]。对腰部康复锻炼这种运动强度适中的类有氧运动锻炼过程,可用式(12)进行评价:

其中:W为能量代谢率;a和b为描述其相对心率与能量代谢率之间变化关系的参数。其值大小与男女和年龄等因素相关。

5 样机验证试验

为验证该新型腰颈部康复装置的功能效果,从长期坐立的人群中选取研究对象,选取本校身体经过健康体检的学生,在已制作好的样机上进行验证试验,如图8所示。

图8 样机使用示意图

记录下被测试者静坐时和开始锻炼15 min内的心率平均数据,整理如表1,根据现有的实验研究结果,针对平均年轻为25岁左右的中青年男子,参照相关计算公式,取其参数 a＝13.9,b＝－10.7。

表1 心率数据

依据提出的计算方法,绘出锻炼过程中心率和能量的变化曲线图9,并对其变化趋势进行分析:1)在0－6 min内,每个锻炼者心率明显加速,依据效果评估方法计算的能量数据,该时间段内锻炼者的能量代谢呈线性增长;2)在6－15 min内,实验者逐步适应腰部锻炼装置的锻炼形式,心率趋于平稳,能量消耗也就维持在一个相对稳定的水平。

图9 心率和能量变化曲线

6 结语

本文设计的电动腰颈部锻炼装置针对腰背部肩颈部常见疾患,通过机械设计和控制系统设计使其能够同时具备腰背部乘马疗法式康复锻炼功能和肩颈部按摩式康复锻炼功能运。用Matalab进行运动学仿真,提出了腰背部锻炼效果评估方法进行,并通过制作的样机进行了基础的验证实验,实验表明,这种新型电动腰颈部锻炼装置具有很好的康复效果。

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