康复训练器材的人机接口设计

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.03.026

摘要/Abstract

摘要：

背景：康复训练器材在康复治疗中发挥着重要的作用，由于患者的肌肉力量和关节活动度比较差，因此必须保证康复训练器材的安全性。
目的：设计一种适用于康复患者的人机接口，保证患者安全地使用康复器材甚至部分健身器材。
方法：通过用户研究找到现有康复器材存在的缺陷，以患者为核心，运用人机工程学原理和方法，通过调查研究和计算机辅助设计，设计出上肢训练器材人机接口。
结果与结论：新的人机接口方案，既实现了患者与康复训练器材的快速穿卸，同时当患者身体出现不适或者器械发生故障时，可以实现人跟器材的自动分离。该人机接口甚至可以推广到部分健身器材上，方便患者康复训练。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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关键词: 生物材料, 康复训练, 人机接口, 人机工程学, 安全性, 健身器材, 固定装置, 分离装置

Abstract:

BACKGROUND: Rehabilitation training equipments play an important role in the rehabilitation treatment. Because of poor muscle strength and joint mobility in patients, we must guarantee the safety of rehabilitation training equipments.
OBJECTIVE: To design a new suitable man-machine interface that ensures patients can use rehabilitation equipments and even parts of fitness equipments safely.
METHODS: Through user experience research, we found the flaws of the existing rehabilitation equipment. Depending on the principles of ergonomics, we designed a new man-machine interface for upper limb exercise through survey and computer-aided design.
RESULTS AND CONCLUSION: The new man-machine interface program achieves the rapid wear and discharge between patients and rehabilitation training equipment, and importantly, it can automatically separate people from the equipment when the patient's body discomforts or equipment failure appears. What’s more, this man-machine interface can be promoted to other fitness equipments. As a result, rehabilitation training for patients will be more convenient.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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Key words: man-machine systems, human engineering, rehabiliation, hemiplegia, aged, disabled persons

中图分类号:

R318

张克选，苏智剑，高振奎，林能涛，朱惠玉. 康复训练器材的人机接口设计[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(3): 488-492.

Zhang Ke-xuan, Su Zhi-jian, Gao Zhen-kui, Lin Neng-tao, Zhu Hui-yu. Man-machine interface design of a rehabilitation training equipment[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(3): 488-492.

图/表（结果） 1

4 上肢康复训练人机接口方案设计 Design of upper limb training man-machine interface

针对前文提出的问题，以四肢康复训练器材上肢人机接口为例，基于人机工程学考虑，设计了新的康复训练人机接口。该人机接口设计采用弹簧钢片实现对双臂的环绕固定，弹簧钢片通过粘扣带结构与康复训练器材固定连接。通过改变粘扣带的接触面积，实现人跟器材的分离，有效保证使用者的安全。下面将人机接口分为固定装置和分离装置两部分介绍。

4.1 人机接口方案固定装置设计弹簧钢片采用65 Mn弹簧钢，经过特殊加工的弹簧钢片拥有良好的弹性，不易断丝且弹簧的疲劳寿命长，弹簧综合力学性能好^[13-14]。它的截面是中间高两边低的形状。正常情况下，钢片被拉伸呈伸直状态(图4A)左，当使用者把手臂放上去，它的中间突起部分受到压力产生变形，钢片就会立刻弯曲并紧紧环绕使用者的手臂(图4A)右，这样就实现了双臂与器材的固定。钢片的长度可以根据使用者手臂的粗细进行选择。使用完毕时，只需将弹簧钢片的两端拉直，双臂便可以取出来。每个上肢人机接口由两个弹簧钢片组成，两个弹簧钢片固定于支撑板1上。

4.2 人机接口方案分离装置设计当使用者身体出现异常，或者器材发生故障时，需要人跟器材发生分离，该人机接口分离装置的设计使用粘扣带结构(图4B)。粘扣带由一条表面有细小钩子的钩面粘扣带与另一条表面有毛圈的毛面粘扣带扣合构成。不同的钩面粘扣带和毛面粘扣带扣合在一起便形成不同的紧固件产品，具有“一碰即粘合，一扯即可分开”的特性，并能反复拆开，扣合使用, 目前已经广泛适用于服装、电子产品、家居用品等领域^[15-16]。

支撑板1与钩面粘扣带2固定，毛面粘扣带3的一端固定于外壳4，另一端绕过滚轴7与推杆5相连，并通过连接件6与推杆相连。需要分离时，推杆收缩，毛面粘扣带在拉力作用下被剥离，直至粘扣带完全分开，这时就实现了上肢跟器材的分离。反过来，当推杆伸长时，毛面粘扣带跟钩面粘扣带粘合，同时在滚轴的滚压压力作用下，保证粘扣带的良好粘合。

经过长期的设计与改进，该上肢人机接口的使用流程(图4C)。使用时，将前臂放入人机接口，通过固定装置将人跟器材固定。正常情况下，结束训练时，只需将弹簧钢片拉直，手臂即可取出。当发生意外情况时，分离装置开始工作，将人的前臂连同固定装置一起跟器材分离，保证使用者的安全。

该方案可行性已经得到论证，目前正处于试制样机阶段，样机制作完成后，将进行后期的临床试验。

参考文献

[1]高林.室内健身器材设计的探析[D].上海：同济大学, 2007.

[2]张济川. 我国康复医学工程事业发展面临的机遇和挑战[J]. 中国康复医学杂志, 2005, 20(4):288.

[3]沈晓军,张晓玉.我国康复辅具发展概况[J]. 中国医疗设备, 2009, 24(12):1-4.

[4]吴翔.工业设计资料集(9). 医疗、健身、环境设施[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2010 :177-19.

[5]秦晓勇.康复器械在偏瘫患者肢体功能恢复中的应用[J]. 中国组织工程研究与临床康复, 2011, 15(48):9088-9092.

[6]宋伟.康复训练器械的设计[J].中国康复理论与实践, 2006,12(5): 437-438.

[7]Bien Z, Chung MJ, Chang PH, et al. Integration of a Rehabilitation Robotic System (KARES II) with Human-Friendly Man-Machine Interaction Units. Autonomous Robots. 2004;16:165-191.

[8]陈雪容,王永美,陈海英. 康复护理训练对老年脑卒中患者的康复效果探讨[J]. 护理实践与研究, 2010,7(24):21-22.

[9]刘慧喜.人机工程学在家用健身车设计中的应用[J]. 包装工程, 2011,32(10):47-50.

[10]王俊华,唐丹.偏瘫康复训练图解[M].北京:人民卫生出版社，2011: 343-344.

[11]丁玉兰. 人机工程学[M]. 北京：北京理工大学出版社, 2005: 1-13.

[12]Mark S. Sander, Ernest J. McCormick. Human factors in engineering and design[M]. 北京：清华大学出版社, 2009 : 558-563.

[13]庄娜,胡泽明,范众维. Φ65mm 65Mn弹簧钢盘条的研发[J]. 金属制品, 2010, 36(6):39-40.

[14]李建明,赵乃勤,李群英,等. 65Mn弹簧钢在弯曲应力下的松弛行为[J]. 金属热处理, 2007,32(5):90-94.

[15]何和智,陈蓉. 粘扣带钩面的加工方法[J]..塑料科技,2009, 37(11) : 66-68.

[16]陈蓉.粘扣带钩面成型模具设计及分析研究[D]. 华南理工大学, 2010.

[17]栗北.基于人机工程学的康复训练器具研究[D]. 河北工业大学, 2008.

[18]武丽芳,董秀兰. 脑卒中偏瘫早期的康复治疗进展[J]. 辽宁医学院学报, 2009,30(2): 183-185.

[19]贾祝军,申黎明,潘天云. 残疾人与无障碍设计[J]. 山西建筑, 2011, 37(22): 3-4.

[20]马洪路.残疾者的心理问题探讨[J]. 中国临床康复, 2002, 6(17):2508-2509.

[21]程大丹.上下肢主被动康复器的设计及人机工程学研究[D]. 太原理工大学, 2010.

[22]李卫东,陈平,李新章. 医疗器械临床试验方案的制定原则与设计方法[J].医疗卫生装备, 2010, 31(6): 83-84.

引言

材料方法

1 现有健身器材与残疾人康复之间的联系 Existing association between fitness equipments and rehabilitation of the disabled

1.1 现有健身器材与现代康复训练器材的分类目前常见的健身器材从锻炼的目的来说可分为有氧运动器材和无氧运动器材两种，主要包括跑步机、划船机、健身单车等^[4](图1)。作为残疾人使用的康复训练器材与一般健身器材有很多的不同。随着科技的进步，在传统康复器材的基础上，国内外研发出一系列现代康复训练器材，并且具有功能全面化、控制自动化、训练个体化等优点^[5-6]。现代康复训练器材主要包括MOTOmed四肢康复训练系统，lokohelp 减重助行训练器等(图1)。

1.2 健身器材和康复训练器材的区别——人机接口健身器材中除了无氧力量型训练的器材，其他一些有氧健身器材如健身车等，跟康复训练器材在使用方式和工作原理方面基本相同。但也存在很多区别，主要体现在人机连接方式不同：以SOLE健身车和MOTOmed四肢康复训练系统为例(图2A，B)，对康复患者实施康复训练，对提高患者的肢体运动功能和日常生活活动能力所起的作用已成为一个不争的事实。与此同时，由于康复患者的各方面功能比较弱，肌肉力量和关节活动度跟正常人相比有比较大的差距，患者在使用器材时往往需要更多的保护，这时就需要特殊的人机接口^[7-9]。

2 人机接口概念与现有人机接口案例分析 Man-machine interface concepts and case studies

人机接口，是为了建立和谐的人与机器的交互环境，帮助人更好的使用机器的装置。现有人机接口主要分为两大类：一类是辅助残疾人等特殊使用者完成正常生活活动的辅助性人机接口，另一类是保证使用者安全使用器材的安全性人机接口。

2.1 辅助性人机接口案例现有的康复训练器材针对患者的特殊情况设计了不同的辅助人机接口，帮助患者活动，

通过外部的支撑力量，弥补瘫痪无力造成的主动肌肉与拮抗肌肉的失衡^[10]。上肢康复训练器的辅助人机接口，弥补了患者双手无法握紧把手的不足，可帮助患者正常的进行康复训练(图2C)。

2.2 安全性人机接口案例人机接口一方面辅助使用者活动，另一方面，更重要的是要保证使用者的安全，很多人机接口的设计都把安全性放在很重要的位置，以滑雪固定器的人机接口设计为例(图2D)。滑雪固定器是滑雪装备的重要一部分，在滑雪过程中，当出现摔倒或者危险情况时，固定器监测到滑雪板离地高度超过安全值，就会实现人和滑雪板分离，保护双腿不受伤害。

综合以上人机接口的案例，可以得到以下结论：人机接口的设计不仅要辅助使用者实现其与机器之间的正常操作。同时也要保证人在使用过程中的安全性。而针对残疾人等一些特殊人群，在康复训练器材方案设计的初期，就需要针对安全性进行特殊的设计和考虑。

3 康复训练人机接口设计的人机工程学分析

Ergonomics analysis of man-machine interface design for rehabilitation exercise

3.1 人机工程学基本思想美国人机工程学专家WoodCC对人机工程所下的定义为：设备设计必须适合人的各方面因素, 以便在操作上付出最小的代价而求得最高效率。其根本目的是通过解释人，机，环境三要素之间的相互关系，从而确保人-机环境系统总体性能的最优化^[11]。可见基于人机工程的设计是一项以人为核心的“人-机-环境”综合的系统设计, 既要满足人们生理层次上的需要, 又要满足人们心理层次的需要。

3.2 现有康复训练人机接口设计的人机工程学分析现有的康复器材在人机接口方面也进行了考虑，但主要是辅助性人机接口(图3)，以MOTOmed四肢康复训练系统的辅助装置为例。

现有康复训练人机接口，通过夹板将四肢跟器械固定，粘扣带的使用，方便穿卸，但是当紧急情况发生时，四肢无法实现跟器械的迅速脱离，因此存在比较大的安全隐患。

人机工程学的目标之一就是减少意外事故，同时增进使用者在工作时的安全性和舒适性^[12]。因此，人机接口的设计必须以使用者为核心，在设计过程中康复训练器材的安全性应放在首位。既要方便使用者穿卸和固定，更重要的是在紧急情况下实现四肢跟器材的分离，保证患者安全。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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讨论

众所周知，现代康复训练器材在康复治疗中发挥着重要作用。康复辅助器具是残疾人回归社会的桥梁，对促进社会的稳定与和谐有很重要的意义。大量的临床及研究证明，对患者早期即介入康复治疗，能够改善患者生活质量，提高患者生活自理能力。康复训练器材安全与否，不仅直接影响康复训练的效果，更关系到康复患者的健康^[17-18] 。
现有的康复训练器材可以分为两大类：一类是治疗师借助于一定的器械对患者进行手法训练，另一类是治疗师指导、帮助患者利用器械进行训练。随着康复患者的日益增多，传统的治疗师辅助训练法已经很难满足患者的康复需要，这时就需要大量的现代高科技康复训练器材。现代康复训练器材在康复效率和疗效方面比传统方法有了较大的提高，但是必须意识到，缺乏治疗师陪同保护的康复训练器材在使用安全性方面存在较大的隐患。这也是本文的康复训练人机接口要集中解决的问题。
为了设计出安全的，适于患者使用的康复训练器材, 必须以康复患者为核心进行研究和设计。考虑到患者生理功能有缺陷的特殊性，需要特别关注康复患者的心理和情感方面的需求。残疾人由于生理功能的丧失，导致其在以正常方式或正常范围内进行活动的能力缺乏。自身缺陷或存在障碍，决定了其不能正常参与家庭生活及社会生活，因此大部分的残疾人普遍存在心理上的自卑感。对于残疾人来说，当不能适应周围的正常生活环境，又渴望身体残损得到补偿恢复时，就会产生很大的心理负担。一旦训练康复设施不合理或理念不完善时，残疾人生理特点无疑会加重其正常恢复并参与社会活动的困难，甚至会产生深远的心理影响，导致其心理变化，这些无疑会给残疾人更好更快地融入到社会造成巨大的障碍^[19-20] 。
康复产品设计的直接对象是康复器材，而最终对象是使用者，包括残疾人、老年人及医院康复辅助人员等。康复训练器材的设计要充分运用人机工程学知识，使产品符
合使用者生理和心理需求，实现产品和人的和谐。安全是人的身心免受外界不利因素影响的存在状态以及保障条件。产品的安全，只有建立在安全的产品、安全的识别和安全的使用这样的系统状态下才能实现。因此在康复训练器材设计的全过程，安全性必须摆在很重要的位置^[21] 。
文章基于人机工程学思想，以康复训练者为核心，对康复训练器材人机接口进行研究。设计出了新的人机接口，该接口充分考虑了康复训练过程中存在的安全隐患，有效保证了使用者安全。在此过程中，人机工程学研究一方面为康复训练人机接口设计中考虑“使用者”提供了人体尺寸的参考，另外也为最终产品功能的合理性提供了科学依据。应用人机工程学理论设计的人机接口可以广泛适用于康复训练器材，甚至可以帮助残疾人使用部分现有的健身器材，使用者在康复训练人机接口的辅助下，可以良好的完成康复训练。在一定程度上解决了现阶段康复训练器材短缺的难题，为残疾人康复训练器材的研究提供了新的方法和思路，这也是文章的最大亮点。
此外为了使机接口方案更加人性化，文章使用了弹簧钢片和粘扣带的组合，来实现人机接口的功能。这两种材料的创新性应用也是本文的另一大特色。其中弹簧钢片的使用，充分考虑到了患者的需求，方便快捷，帮助康复患者快速实现人跟机器的固定。粘扣带的使用，避免了现阶段粘扣带只能手动粘合或者分开的状况，结合残疾人各方面身体机能较正常人偏弱的情况，借助电机的作用，当发生意外情况时，实现粘扣带的自动粘合和分开，进而在紧急情况下实现人机分离，优先保证使用者的安全。
目前，该人机接口方案几经修改，已经基本完成了前期的预定目标，解决了康复训练过程中出现的问题。在考虑了加工制造的问题之后，该方案现在已经处于样机试制阶段。鉴于该人机接口的使用者是康复患者，因此需要在样机制作完成后进行临床试验，然后根据医疗器械临床试验的原则，通过试验反馈，对人机接口方案进行修改和改进^[22] 。
文章以MOTOmed康复训练系统为例，针对患者的上肢设计了人机接口，因此该人机接口是否能很好的适用与其他康复训练器材，还需要更多的试验和改进。另外，患者在康复训练中与训练器材接触的部位还有很多，如下肢、腰部等。考虑到人体身体结构的特殊性和人体生物力学的相关知识，针对不同身体部位的康复训练也不完全相同，针对不同的康复部位的康复训练，需要特殊的有针对性的研究，这样设计的人机接口才能达到最佳的康复训练效果。因此还有很多后续工作有待展开。

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