吉林大学学报(工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (5): 1558-1566.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20180982

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减重站起康复训练系统机械结构设计与优化

曹恩国1(),刘坤2(),吉硕2,孙震源2,徐洪伟2,骆星吉2   

  1. 1. 江南大学 设计学院，江苏 无锡 214122
    2. 吉林大学 机械与航空航天工程学院，长春130022
  • 收稿日期:2018-09-25 出版日期:2019-09-01 发布日期:2019-09-11
  • 通讯作者: 刘坤 E-mail:nguocao@jiangnan.edu.cn;kunliu@jlu.edu.cn
  • 作者简介:曹恩国（1983-），男，副教授，博士.研究方向：智能交互系统设计.E-mail:nguocao@jiangnan.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(51505191);江苏省社会科学基金项目(16ZHC003);吉林省科技发展计划项目青年科研基金项目(20160520066JH);吉林省教育厅“十三五”科学技术项目(JJKH20190146KJ)

Mechanical structure design and optimization of weight-support STS rehabilitation training system

En-guo CAO1(),Kun LIU2(),Shuo JI2,Zhen-yuan SUN2,Hong-wei XU2,Xing-ji LUO2   

  1. 1. School of Design, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
    2. School of Mechanical and Aerospace Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China
  • Received:2018-09-25 Online:2019-09-01 Published:2019-09-11
  • Contact: Kun LIU E-mail:nguocao@jiangnan.edu.cn;kunliu@jlu.edu.cn

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摘要：

基于人体工程学设计并优化了一种多功能坐站运动辅助与康复运动训练机器结构，可使患者按照对标健康人体站起运动轨迹进行减重式康复运动训练。重点设计了下肢矫助外骨骼结构和顶端哑铃形螺旋绕线轮，对整体机械结构及主要零部件进行了力学分析和尺寸优化。可使存在下肢运动功能障碍的使用者不仅可获得坐站运动辅助，而且可以使下肢肌群完全按照对标健康人体站起时肌肉正确施力规划进行康复训练，避免产生因站起姿势扭曲导致的肌肉畸态施力，从而获得安全、健康的康复运动训练效果。

关键词: 机械设计, 站起康复训练, 结构优化, 减重

Abstract:

Based on ergonomics, this paper designs and optimizes a multi-functional training machine structure for sitting-to-standing (STS) exercise and rehabilitation, which enables patients to carry out weight-loss rehabilitation training according to the track of the healthy body. The structure of lower extremity orthodontic exoskeleton and the top dumbbell spiral winding wheel were designed. The mechanical analysis and dimension optimization of the whole mechanical structure and main components were carried out. Users with lower extremity dyskinesia can get STS exercise assistance, and perform lower extremity muscle rehabilitation training according to the correct exercise plan of healthy people when they stand up, that avoids muscular abnormal exertion caused by the distortion of standing posture, thus obtaining safe and healthy rehabilitation.

Key words: mechanical design, STS rehabilitation training, structure optimization, weight support

中图分类号: 

  • TN122

图1

减重式智能下肢站起康复系统的机械结构"

表1

结构中各零部件明细表"

序号 部件名称 序号 部件名称
1 顶吊装置 11 移动支撑杆
2 支撑斜梁 12 可刹车万向轮
3 支撑细杆 13 底座横梁
4 支架内管 14 下肢外骨骼
5 主控传动箱 15 梯形轨架结构
6 支撑外杆 16 第一横梁
7 扶手横梁 17 一号皮带
8 定位滑块 18 三通件
9 扶手支架 19 第二横梁
10 底座主梁 20 紧固螺钉

图2

MATLAB仿真曲线及纺锤形结构立体图"

图3

纺锤型结构有限元分析结果"

图4

站起过程中梯形支架五边形结构示意图"

图5

初始设计焊接结构静力学分析结果"

图6

优化改进设计栓接结构静力学分析结果"

表 2

机械结构设计优化分析结果"

机械结构设计 编号 连接关系+杆件选取值 杆件壁厚/mm 最大位移/mm 最大应力/MPa 质量/kg
最初设计方案 1 焊接+自定值 5 43.39 462.3 44.51
改进优化方案 改进方案 2 焊接+工字梁及双斜拉管自定值 工字梁 12;梯形支架 3;其余 5 16.01 254.2 74.18
3 栓接+工字梁及双斜拉管自定值 工字梁 10;梯形支架 2.5;其余 4.5 19.56 315.1 64.19
优化方案 4 栓接+工字梁及单斜拉管自定值 工字梁 8;梯形支架 2;其余 4.5 19.46 323.7 58.88
5 栓接+工字梁及单斜拉管迭代优化值

工字梁 5.375;前伸顶梁 2;顶部支撑管 2;

三角形圆管 7.877;斜拉管 2.835;梯形支架 1;

底架方管 2.5;底架横梁 10

 20.00 322.7 40.82

图7

设计优化过程中机械结构质量变化折线图"

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