脑瘫康复自行车

张超凯,Adrian Chin Hsiung Chong

(上海理工大学,上海 200034)

脑瘫康复自行车

张超凯,Adrian Chin Hsiung Chong

(上海理工大学,上海 200034)

目前,脑瘫疾病已成为医疗领域的一个严重问题.脑瘫的基本定义是儿童早期的永久性运动障碍.本项目的主要目标是针对脑瘫儿童设计和制造一种特殊的康复工具,缓解其运动障碍.为了使其得到广泛使用,该工具必须易于控制,更加稳定且适合脑瘫儿童的运动需求.

脑瘫;康复自行车;运动障碍;康复工具

1 选题背景

如今,脑瘫是世界上发病率较高的难治性疾病之一.据有关资料显示,脑瘫儿童每1 000例活产中约有2.1例.这种高发病率使其成为其他儿科疾病中最常见的运动障碍疾病.脑瘫的基本定义是出现在儿童早期的一组永久性运动障碍.脑瘫可能会影响儿童患者视力、感觉、饮食和口语等方面.孩子的症状与其他人不同.近30%的脑瘫患者难以思考.幸运的是,尽管脑瘫的症状在头几年可能非常显眼,但通常情况下症状并不会恶化.脑瘫的原因主要包括脑瘫后遗症和遗传因素.脑瘫病因主要发生在怀孕期间,但有时脑瘫也可能在婴儿出生后发生.不幸的是,迄今没有有效的脑瘫治疗方法.然而,康复治疗师可能在某些情况下起到治疗作用,并且在很大程度上可以缓解其运动障碍.

虽然目前市面上已经为脑瘫儿童设计了各种康复设备,但仍然缺乏能够实现娱乐和康复目标的康复设备.因此,该项目旨在设计和制造一种康复自行车,可以丰富脑瘫儿童的娱乐,同时长期使用可缓解其运动障碍.

为给康复自行车设计奠定坚实的基础,将对脑麻痹症状、分类、病因及治疗进行详细的研究.基于这些,康复自行车的设计也应该考虑到用户的舒适性和安全性.

2 方案与设计

2.1 车轮的设计

对于脑瘫患者,小脑的损害使他们失去保持平衡的能力.因此,他们不能像普通人一样骑着常用的两轮自行车.为了解决这个问题,本设计将考虑采用三轮或四轮自行车.以下分析将侧重于三轮和四轮自行车的比较及最终选择三轮自行车的原因.

2.1.1 行车分别在粗糙和光滑平面上的性能

当地面不平整时,三轮自行车能比四轮自行车更稳定地固定在地面上.当自行车静止在粗糙平面上时,三轮自行车比四轮自行车性能方面表现得更好.然而,康复自行车不像椅子那样永远静止的物体,而需要在地面上移动.在平稳的地面条件下,三轮自行车与四轮车的性能相同.但在大多数情况下,地面往往不平整.当三轮自行车在粗糙的地面上移动时,整个自行车车身都会随时改变其平面,向左或向右倾斜.当倾斜角度较大时,三轮自行车可能会翻车,这可能会对使用者造成很大的伤害.然而四轮自行车在粗糙的地面上运动有2种情况:一种是2个右轮和1个左轮将碰到地面,另一种是2个左轮和1个右轮将接触地面.因此,随着重心基准的变化,自行车也会左右摆动,而且这是一种垂直方向上的变化.因此当在粗糙的地面上移动时,四轮自行车似乎比三轮车更安全.

2.1.2 驱动力

在选择这2种自行车时,需要考虑的另一个重要因素是驱动力的差异.与四轮自行车相比,三轮自行车承受的阻力较小,这是因为四轮自行车的接触面较大.也就是说,骑行三轮自行车时需要较小的物理力,这对于那些有运动障碍的脑瘫儿童骑行可能会更方便一些.

2.2 座椅的设计

轨道滑动型的基本概念是首先将滑动轨道与车身相焊接,然后通过螺母实现座椅与滑动轨道间的紧固.滑动轨道可以通过滑轨上固定间距的凹槽实现滑轨位移的固定.其原理与汽车座椅下面的滑动轨道相似.为节约成本,本设计采用车辆所使用的滑动轨道,经过加工后安装在三轮自行车车身上,通过螺栓与安全座椅紧固.这种设计和紧固方式有着与板式固定型相似的安全性和可靠性,由于采用滑轨式,其可调节性较板式固定型有了很大的提高.滑动轨道的尾部安装有一个扶手,向上抬起扶手可以释放滑动轨道,放下扶手重新将滑动轨道锁死.扶手内部弹簧在不受力时保持锁死状态,使用者可以一只手抬起扶手,一只手向前推或向后拉安全座椅来前后移动,其前后移动距离各为30 cm.

2.3 车把的设计

蝴蝶把是一种特殊类型的自行车把手,也称为"放松车把"或"多功能车把".蝴蝶把从前杆开始,在自行车两侧呈现蝴蝶翅膀的形状延伸.这样的设计使骑手能够以较小的控制力来握持车把的尾部,从而控制自行车的方向.与通常使用的直把和弯把相比,蝴蝶手柄足够长,足以让脑瘫儿童控制自行车,甚至无需伸直手臂就能握住蝴蝶手柄.对于有姿势困难的孩子,这将是一个很大的优势和便利.此外,与线性延伸车把相比,姿态困难的儿童可以在不同的运动姿势下控制自行车的方向,这是在线性伸展车把基础上的一个很大的发展.蝴蝶手柄的另一个优点是,当转弯时,骑手不需要转动自己的身体.

综上所述,这种康复自行车上蝴蝶手柄的优点可以归结如下:①较小的身体转动角度;②无需伸直手臂就可控制转向;③适应多种姿势维持障碍的脑瘫儿童;④蝴蝶车把的位置可以调整为2种,以适应不同需求的脑瘫儿童.鉴于上述所有这些因素,蝴蝶手柄终于被选为这款康复自行车最适合的手柄.

3 Solidworks模拟分析

第一次模拟是对自行车座椅的压力分析.这种模拟旨在测试座椅及其支撑件是否能承受施加在其上的最大压力.Von Mises方法被选为测试目标应力的方法.基于产品规格和普通儿童质量的安全座椅的最大容量,选择70 kg(700 N)作为施加在座椅上的力.采用橡胶和合金钢作为座椅及其支撑结构的材料.采用FEA对座椅进行了建模与分析,最终得出700 N垂直力下座椅及其支撑的应力状况.根据应力模拟,座椅和2块钢板处于深蓝色状态,其应力值约为100 Pa,处于安全状态.因此此产品不存在安全隐患.

4 结论

这个项目的整个设计过程和最终结果的得出是一个非常有意义的历程.在研究部分,本文详细介绍了脑瘫的相关信息,比如定义、症状、分类和相对应的康复装置.这些背景信息使笔者对脑瘫有一个新的了解.在自行车的组装过程中,采用了各种加工方法,比如焊接、切割和抛光,使加工的自行车符合脑瘫儿童的要求.为了测试自行车的安全性,本文采用了Solidworks模拟,以找出其缺陷,并进一步改善.对于未来的设计,这个项目的康复自行车还需要进一步改进,特别是在安全座椅上下调节的问题上.此外,应到脑瘫康复中心进行访问,以检测所设计的康复自行车是否适合脑瘫儿童使用,以及如何用自行车进行康复训练,并将在此基础上进一步改善.

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〔编辑:刘晓芳〕

R473.72

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.107

2095-6835(2017)22-0107-03