江偉，石萍，杜妍辰，李素嬌，喻洪流

上海理工大學(xué) 康復(fù)工程與技術(shù)研究所(上海，200093)

0 引言

現(xiàn)如今，頸椎病是脊柱疾病中最常見的疾病，它是由性別、年齡、職業(yè)和生活方式等方面引起的退行性變化，頸部疼痛主要是由于脊柱負(fù)荷不均引起的最常見的癥狀之一［1］。頸椎病是指頸椎關(guān)節(jié)如鉤椎關(guān)節(jié)、小關(guān)節(jié)和椎間盤的骨關(guān)節(jié)炎的變性，引起多種運(yùn)動(dòng)和感覺功能障礙，可能包括骨贅或軟骨骨刺的形成，椎間盤突出，小關(guān)節(jié)突或韌帶肥大，影響椎管直徑和矢狀面靈活性［2-4］。引起頸椎病的因素有很多，如頭部前傾、頸部緊張、壓力、抑郁、運(yùn)動(dòng)、職業(yè)等［5-6］，頸椎椎體小也是引起頸椎病的因素之一［7］。它的癥狀主要包括頸部和手臂疼痛以及手臂和手指麻木，頸部疼痛的患病率為23.1%，辦公室和在電腦前的工作人員發(fā)病率最高，為21.3%［8］。

目前，頸椎病的治療主要分為手術(shù)治療和非手術(shù)（保守）治療，對(duì)于一般的頸椎病，非手術(shù)治療的療效好，種類多，且不良反應(yīng)小，親和力高，臨床上對(duì)頸椎病的治療總發(fā)展趨勢已逐漸轉(zhuǎn)為非手術(shù)療法為主的治療方法［9］。在非手術(shù)治療中，頸椎牽引一直被認(rèn)為是最主要的治療方法之一［10-11］。本研究主要是通過牽引的治療方法設(shè)計(jì)一款可穿戴的頸椎牽引外骨骼。

牽引方法也可分為手動(dòng)牽引和機(jī)械牽引，雖然手動(dòng)牽引的康復(fù)效果好，但是治療方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，這讓部分患者不能得到及時(shí)的治療。機(jī)械牽引不但可以提高治療的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，也能幫助醫(yī)生提高治療效率。目前市場上幫助康復(fù)頸椎病的輔助設(shè)備大多是起固定作用或者只能實(shí)現(xiàn)單自由度的牽引，類似于頸托固定器和脊柱矯形器，其目的只是避免讓患者遭受二次傷害。

我們致力于研究一種輕便容易穿戴并且能夠幫助患者進(jìn)行牽引治療的頸椎外骨骼，利用限位調(diào)節(jié)適用于90%～95%的患者，通過四個(gè)直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)完成牽引的過程。

1 外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頸椎是由七節(jié)錐體連接而成，如圖1所示，從上到下分為C1～C7，C1連接顱骨，C7連接胸骨，是頭顱和軀干的連接樞紐，在它周圍有許多肌肉、血管和神經(jīng)通過。頸椎關(guān)節(jié)非常靈活，屈曲運(yùn)動(dòng)以及頭部轉(zhuǎn)動(dòng)主要由上頸椎段完成，即C1～C3，頭部的大幅度伸屈主要在C5～C7節(jié)段，頸椎側(cè)屈運(yùn)動(dòng)主要由中段頸椎完成。頸部肌肉的收縮和舒張使頸椎完成各種動(dòng)作。

圖1 人體頸椎結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of human cervical spine

我們根據(jù)人體尺寸手冊，設(shè)計(jì)了一款覆蓋患者胸部、背部、頸骨、枕骨的外骨骼，通過四個(gè)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的底端安裝在胸板和背板上，電機(jī)上端安裝在頸托和枕托上，為了保證牽引過程中有足夠的自由度，電機(jī)的每一端都通過球鉸固定在外骨骼上如圖2所示。

圖2 頸椎外骨骼三維模型圖Fig.2 Three-dimensional model of cervical exoskeleton

每個(gè)患者的身體尺寸都不同，為了避免對(duì)患者胸部造成擠壓，利用旋鈕柱塞不僅可以調(diào)節(jié)胸前電機(jī)的安裝位置，還可以適用于下頜到劍突距離為260 mm～310 mm的患者。

覆蓋在人體表面的外骨骼分為內(nèi)外兩部分，外部采用尼龍材料，密度為1 150 kg/cm3，內(nèi)部墊一層記憶棉，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化穿戴，也能提高患者的舒適度,外骨骼實(shí)物照片如圖3所示。本裝置通過四個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，上下兩端都與球鉸連接，這就相當(dāng)于是一個(gè)4-SPS的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，四個(gè)電機(jī)底端的平面可以看作是靜平臺(tái)，電機(jī)的上端則是動(dòng)平臺(tái)，因?yàn)樵诓⒙?lián)機(jī)構(gòu)中，為了使運(yùn)動(dòng)效果達(dá)到預(yù)期，動(dòng)平臺(tái)必須是一個(gè)整體，電機(jī)在工作的時(shí)候頸托和枕托是不能有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，所以兩者要通過剛性連接。

圖3 頸椎外骨骼實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Physical picture of cervical vertebra exoskeleton

2 頸椎外骨骼SolidWorks Simulation靜態(tài)力學(xué)分析

裝置的受力點(diǎn)主要是頸托和枕托與電機(jī)連接的位置，使用SolidWorks對(duì)這兩個(gè)組件進(jìn)行靜力學(xué)分析。首先頸托和枕托選取尼龍101材質(zhì)，密度為1.15 g/cm3，為了完成一個(gè)靜態(tài)分析，模型進(jìn)行約束時(shí)必須正確，使模型無法移動(dòng)，SolidWorks Simulation提供了各種夾具來約束模型。一般而言，夾具可以應(yīng)用到模型的面、邊、頂點(diǎn)。本研究將頸托與枕托兩邊的平面設(shè)置為固定約束模型，如圖4所示。由于每個(gè)正常成年人頭部質(zhì)量為4～5 kg，因此在每個(gè)電機(jī)與枕托和頸托的連接處施加25 N的力，采用自由網(wǎng)格劃分形式。

圖4 網(wǎng)格化后的頸托枕托分析模型Fig.4 Analysis model of neck rest and pillow rest after grid

應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示，頸托的應(yīng)力集中最大為0.226 kg/mm2，枕托的應(yīng)力集中最大為0.273 kg/mm2，不足以對(duì)任何一個(gè)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)造成破壞。

圖5 頸托枕托的應(yīng)力分析圖Fig.5 Stress analysis of neck rest and pillow rest

3 運(yùn)動(dòng)分析

本裝置主要通過四個(gè)直線電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，為了滿足牽引所需的前屈后伸、左右側(cè)屈、縱向拉伸以及水平旋轉(zhuǎn)四個(gè)自由度，直線電動(dòng)推桿的兩端與球鉸連接固定在外骨骼上，這就相當(dāng)于是一個(gè)4-SPS的并聯(lián)機(jī)構(gòu)（S-球鉸、P-移動(dòng)副）。并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精度高、自重負(fù)荷比小、動(dòng)力性能好、容易控制等一系列優(yōu)點(diǎn)［12］。

所謂的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解是指已知?jiǎng)悠脚_(tái)的三轉(zhuǎn)動(dòng)量γ、β、α和三平移量x、y、z，反求該機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的輸入量即四個(gè)p副的移動(dòng)量l1、l2、l3、l4。設(shè)定動(dòng)平臺(tái)為兩個(gè)大小不相等的正方形，在平臺(tái)上建立如圖6所示的坐標(biāo)系，定平臺(tái)上坐標(biāo)原點(diǎn)到每個(gè)球鉸的距離為L，動(dòng)平臺(tái)上坐標(biāo)原點(diǎn)到每個(gè)球鉸的距離為l。定平臺(tái)建立坐標(biāo)系O-XYZ，用OA表示定坐標(biāo)系，動(dòng)平臺(tái)建立坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1，用O1B表示動(dòng)坐標(biāo)系。

根據(jù)圖6，Ai在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：

根據(jù)圖6，Bi在動(dòng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為:

圖6 并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系圖Fig.6 Coordinate system diagram of parallel mechanism

該機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度，所以動(dòng)平臺(tái)的P點(diǎn)相對(duì)于定坐標(biāo)為：

利用齊次坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)的變換，將并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)上的點(diǎn)Bi(i=1、2、3、4)在{PB}的位置矢量轉(zhuǎn)換到定平臺(tái)靜坐標(biāo)系{OA}中，如式（3）所示。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)的反解表達(dá)式可以通過式（5）得出，即求得每條支鏈桿的驅(qū)動(dòng)位移矢量li(i=1、2、3、4)。

兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)代入式（5）中，得出反解表達(dá)式（6）。

4 利用ADAMS建模及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為了進(jìn)一步了解所設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，在仿真軟件ADAMS上進(jìn)行仿真研究。并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型如圖7所示。

圖7 主體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.7 Schematic diagram of main motion mechanism

通過ADAMS對(duì)該并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，首先確定動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到每個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的伸縮變化規(guī)律。設(shè)置動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為X=π/15sin(t)、Y=0、Z= π/15sin(t)，仿真參數(shù)時(shí)間為5 s，步長為0.1 s。四個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的位移與速度的仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

由圖8、圖9可以看出，四個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的位移以及在X、Y軸上的速度、加速度和角速度均呈周期性變化，這和初始條件下給定的驅(qū)動(dòng)函數(shù)相對(duì)應(yīng)，證明4-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有合理的工作空間和良好的運(yùn)動(dòng)特性。

圖8 主體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.8 Schematic diagram of main motion mechanism

圖9 側(cè)面翻身機(jī)構(gòu)簡圖Fig.9 Schematic diagram of side turning mechanism

5 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一種輕便容易穿戴并且能夠幫助患者進(jìn)行牽引治療的頸椎外骨骼，利用SolidWorks進(jìn)行建模并對(duì)牽引時(shí)主要受力點(diǎn)頸托和枕托進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析，得出的數(shù)據(jù)驗(yàn)證所選材料不會(huì)造成模型結(jié)構(gòu)的破壞。隨后計(jì)算4-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度以及對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，最后通過ADAMS軟件仿真得到四個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的曲線圖，結(jié)果證明了4-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有合理的工作空間和良好的運(yùn)動(dòng)特性。

6 總結(jié)

目前，頸椎外骨骼康復(fù)設(shè)備的研究還停留在機(jī)構(gòu)測試階段，在實(shí)際使用時(shí)還會(huì)出現(xiàn)一些問題。但是該裝置已經(jīng)在多位有豐富臨床經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)下，針對(duì)穿戴的舒適度、牽引角度的精確性等問題進(jìn)行了測試，以后會(huì)通過對(duì)外骨骼材料的選型以及在外骨骼上加入傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制來解決這些問題。

頸椎病的康復(fù)治療是一個(gè)比較枯燥并且漫長的過程，患者很難耐心地完成整個(gè)治療周期。要想使患者積極地參與，就要激發(fā)他們的興趣，未來的研究計(jì)劃添加虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)來豐富患者的體驗(yàn)，從而加快患者康復(fù)。