基于模块化的下肢康复训练产品设计研究

谢嘉俊

（南京工业大学,江苏南京 210009）

我国下肢骨科康复目前仍处在起步阶段。康复医疗人员短缺、康复中心无法形成规模效应降低成本、患者及家属受康复医疗教育平均程度低等原因，都导致了下肢骨科治疗、康复过程中“重治疗，轻康复”的现状。下肢骨科治疗、康复过程具有周期长、见效缓慢的特点，需要相关康复护理人员与患者投入大量的时间精力，患者及其家属易感觉费用高昂的同时收效甚微，从而导致患者主观积极性低，进一步影响康复治疗效果。如何在康复护理人员短缺的情况下经济有效地为患者提供康复治疗成为一个亟待解决的问题。

一、下肢康复训练产品模块化设计概述

下肢康复训练可使因伤病等原因导致下肢功能或结构障碍、个体活动以及参与能力受限的患者在恢复速度、恢复效率及恢复效果等多方面提升，最终提高生活质量和尽早重返社会。

（一）下肢康复训练产品现状

目前我国下肢康复训练产品无论冲数量还是质量上都有明显的不足，整体发展水平有待提升，在一些地区或很多医疗机构中甚至没有配备相应的康复医疗器具仍采用通用性的简易辅具或纯人工辅助康复，即使有所配备，起高昂的价格也让很多患者望而却步。而在经济发展水平高的城市或大型三甲医院设有的康复中心或康复科室中则配备有康复机器人及完备的康复运动器械。

在品类繁多的下肢康复训练产品中，根据其技术水平、造价成本等因素分为五类：

表1 下肢康复训练产品分类总结

（二）产品模块化设计概念

产品模块化设计是将复杂的产品系统按功能或者性能,进行重新拆分，将承担单一功能或者性能的部分提取并单元化，再讲各个单元通过各种形式进行联系、连接，共同构成分立有序的产品总系统。

单元化的子系统可根据产品的具体特性或全部或选择性地组合成不同的新系统，模块化设计是产品设计的方法学中极具创新且意义非凡的理念，能够实现加快产品更新周期，快速完善产品，还能减少在生产制造中的损耗，提高生产效率。

二、下肢康复训练产品模块化设计思路

（一）下肢康复训练产品模块化设计的需求

我国人口老龄化趋势愈发严重，康复医疗行业无论是康复医院数量、康复床位数量、康复专业技术人才数量还是康复器械数量与质量上都明显供给不足。现有下肢康复训练产品研究往往围绕伤病本身，追求在康复治疗过程中组织器官的最大程度复原及修复而忽略了下肢康复训练产品必须从人-机-环境的角度充分考虑人在各种使用环境中的窘境，如康复训练频率与费用、移动到康复中心的距离之间的矛盾等。

下肢康复训练产品若背离人-环境的关系，仅考虑产品功能、人与机器的连接，并不能设计出符合用户整体需求的产品。从已上市的产品类目角度，我国并不缺乏下肢康复机器人、有源关节康复运动器等高技术的下肢康复训练产品，但从其覆盖率、使用率、使用频率、使用成本等角度，下肢康复机器人及大部分有源关节康复运动器并不能满足一般患者的需求。阻抗用具等低技术的下肢康复训练产品的科学使用需要专业的康复医疗人员的指导陪同使用，这与我国康复医疗人员数量严重不足的现状相矛盾。

因此，具有一定技术水平同时兼顾患者自主使用及经济性下肢康复训练产品亟须被设计，下肢康复训练产品通过模块化设计，分析下肢康复训练产品在不同阶段、不同部位、不同训练形式、不同使用环境的用户需求，使得下肢康复训练产品参与到整个康复流程中，不仅能同时兼顾不同需求的患者，更能使产品更具有经济性。同时，模块化的下肢康复训练产品更容易依附于其他辅具之上配合使用，使得康复过程更安全有效。

（二）下肢康复训练产品模块化设计的目标

下肢失能患者出现“重治疗，轻康复”思维倾向，可通过降低患者康复成本、优化患者康复路径等方式减缓甚至打消患者对康复训练的抵触、抗拒心理。模块化的下肢康复训练产品的设计应在经济性的原则下通过将各模块进行层次性划分，充分考虑用户需求，针对康复过程的不同阶段、不同部位、不同训练形式、不同使用环境等作出相应配置，能使得下肢康复训练产品在整个康复周期中发挥更大作用。

从患者康复路径角度，比起每日1-2次前往康复中心集中康复，可移动的康复训练产品能使患者在病床上甚至家中自主使用进行康复，同时有利于提高训练频率进而实现少量多次的康复训练使相关患者更快恢复。

（三）下肢康复训练产品模块化设计的方向

下肢康复患者多须限制关节活动范围以保证康复训练的安全性及康复的稳定性，下肢康复患者在治疗期间大量、高比例地使用支具作为治疗用具，同时支具本身对于关节的使用与连接自带模块化属性，设计下肢康复训练产品与下肢支具结合或配合使用不仅能保证康复训练时关节的安全稳定，还能延长患者已购置支具的使用周期及附加值、减少做设计的下肢康复训练产品的结构以降低成本减少浪费。因此，针对全康复周期的普适性下肢康复训练产品设计围绕单关节或多关节支具是综合多因素下的明智之选。

（四）下肢康复训练产品模块化设计的方法

下肢康复训练产品模块化设计的核心是科学地、有选择地将产品中的要素提取成为具有独立功能的子系统，同时兼顾子系统与产品系统之间、子系统与子系统之间的关系，充分考虑系统的灵活性、拓展性。

下肢康复训练产品的功能形式与下肢康复训练的康复锻炼方式息息相关，下肢康复训练的康复训练方式分为被动训练、助力训练、主动训练、抗组训练，各种训练有其不同特点。

根据下肢康复训练的康复锻炼方式，并基于模块化设计的层次性划分，产品模块划分大致遵循层次性的过程，可简单概括为从需求层到功能层、结构层的逐层模块划分进程。根据下肢康复训练产品现状的分类汇总分析的结果显示，运用最简化的设计结构而不使用复杂精确的系统可有效降低用户的使用成本，现从患者康复训练的全周期综合考虑后对下肢康复训练产品的进行层次性划分，如图1所示。

图1 基于模块化设计的下肢康复训练产品模块划分

基于康复医学相关研究，患者康复所需的训练需求可划分为关节活动、肌力维持、肌力提高和安全稳定。同时，对满足这四项需求的功能元也即功能形式进行的划分，分别为被动训练、辅助训练、等速训练、阻抗训练。

单一需求并不一定只能由单一功能元实现，如关节活动可由多种功能形式满足，而阻抗训练和等速训练都能满足肌力维持的需要，其中，因被动训练需要能量的输入及复杂的控制，并不在设计范围内，故不做功能模块的设置。

三、下肢康复训练产品模块化设计实践

（一）设计需求的满足

基于下肢康复训练产品模块化设计思路，已经分析出现阶段的用户需要一款优于简易姿态辅助支架类、阻抗用具类等产品但又不能具有过高技术成本的产品，于是在经济性的原则下，应考虑提高其结构上的功能性与实用性，同时选用市面已经大量生产的标准化零部件，减少非标准件的定制、使用。

（二）设计目标的实现

基于模块化设计的下肢康复训练产品设计，可针对陪伴下肢康复患者度过康复的前中后期，设置辅助训练、等速训练、阻抗训练模式，分别对应助力、稳定、提升三个康复训练阶段，充分发挥了模块化设计的优势，小型化、可拆卸的优势使得用户可在任意环境（如病床上）使用进行全天候训练。使用康复训练盒进行训练有效解决了出院后的康复训练路径问题，早期卧于病床进行康复训练可避免因移动带来的二次损伤，同时也将相应的康复进程提前，减少患者在康复期花费的时间、成本，待患者无须住院观察时，使用康复训练盒可在家中、户外甚至工作场合进行康复训练，使患者尽早回归工作和生活。

（二）设计方向的落实

下肢康复训练患者大量使用的支具形态各异、尺寸不一，针对这一特点，下肢康复训练产品在设计时应将产品与支具的连接方式作适应性处理，以满足不同品牌、不同型号支具的使用。同时，可设计专门配合下肢康复训练产品使用的标准支具，以期达到最优的使用效果。

（四）设计方法的应用

经过下肢康复训练产品模块化设计的层次性划分后得出了针对不同时期、不同需求下的功能模块，并为相应的功能模块设计对应的结构模块，选配零部件，最终设计完成下肢康复训练产品总体功能结构与具体结构，并命名为“一种兼顾动作辅助及关节训练的无动力小型多功能装置”，该实用新型专利已获得授权，康复训练盒创新性地将不同训练模式所需连接的结构模块分置到了不同的活动平面内，通过旋钮于导轨活动柱直接的圆柱凸轮配合将主齿轮推至相应活动面进行连接使用：当模式切换器选择阻抗训练模式，使得主齿轮与阻力齿轮啮合。此时阻力齿轮与支具关节同步旋转，旋转时受到摩擦片提供的摩擦力而实现阻抗训练。该实施例将提供压紧力的螺钉螺母中的螺母置于外壳外侧，使得用户使用时刻随时旋转螺母无极调整压紧力大小从而改变训练阻力；当模式切换器选择辅助训练模式时，切换旋钮推动圆柱凸轮使旋臂被推至外壳底盖处，此时旋臂上的缺口卡住扭簧的活动脚。该模式下支具关节两杆在相向旋转时会使储能元件蓄能，背向旋转时能量被释放辅助关节旋转，达到助力效果。该模式能帮助肌力较弱的用户完成训练动作或日常活动；当模式切换器选择等速训练模式，使得主齿轮与阻尼齿轮啮合。此时旋转阻尼转动轴与支具关节同步旋转，旋转时受到旋转阻尼控制速度，实现接近等速训练，减少训练中对人体关节的伤害。等速训练在康复训练当中有着重要地位，能使还为完全修复的关节实现早期地活动，减少组织粘连，促进血液循环，有助于康复。

方案中的结构可简单地将康复训练盒内旋臂与外壳分别固定于关节相连的两侧支具旋转关节两杆上以实现功能模块可拆卸的设计要求，可分别安装于髋、膝、踝单个或多个关节的支具上进行训练。与此同时设计了一款与康复训练盒设计风格整体一致的下肢支具，髋关节-膝关节支具、膝关节-踝关节支具之间可通过连接器连接使用。

患者可在治疗期间购置相应关节支具用于早期的关节固定，待进入康复期添置康复训练盒安装于支具上进行康复训练；可拆卸康复训练盒同时兼容市面上其他支具，可单独添置后安装于已有支具上进行康复训练。同时，围绕支具进行康复训练，可将弹力带等阻抗用具固定于支具上增加阻抗及动作形式，进一步提高康复用具的利用度和康复的效果。

此外，设计结果中的结构零件可具体选择如旋转阻尼、弹簧等为市面上已大规模量产的通用件，不仅相关性能有保证，其单价也可降到最低，具有极大的实用性和经济价值。

结语

基于模块化设计的下肢康复训练产品，可使得在手术及支具上花费过大，无力承担后续高昂的康复医师费用及康复中心相关费用的患者以较低的成本获得更好地康复训练效果，同时针对有限次数的康复训练收效缓慢，康复周期过长的问题运用模块化小型化可随时训练的优势使得患者训练频率得以有效增加，减少因难以坚持而导致的心理抗拒，是符合用户需要的新产品。