基于JACK的老年人下肢屈伸康复系统绩效仿真分析

李孟牛，李亚军

南京理工大学，南京210094

脑卒中是临床常见的多发疾病，常发于老年群体，常见症状表现为患者对脸部、手臂或腿部失去控制，头痛、大小便失禁等[1]。随着我国老龄化进程的加快，脑卒中患者数量呈逐年上升趋势[2]。目前治疗脑卒中患者肢体运动障碍的方法主要是护理干预，通过一系列护理活动促进患者运动功能的恢复[3]。由于医疗资源匮乏，目前脑卒中患者的治疗逐渐转向使用康复器械锻炼肢体，所以康复器械行业逐渐成为热点。

虽然早期大量研究机构已经将多自由度的机器人外骨骼引入了康复训练[4]，但由于康复机器人价格昂贵、体积庞大、操作复杂，并且对科技要求非常高，所以常被用于医学研究和专业医疗康复机构的康复疗法之中，不便在病患家庭中普及推广。近年来，少自由度康复并联机构因其结构简单、价格便宜被广泛运用到家庭康复领域[5]。该类产品令患者肢体按照相对固定的旋转轨迹规划运动，从而达到一定的康复目的。然而，该类康复器械自由度低、旋转轨迹固定不可调，患者在使用时可能会由于动作不规范或幅度调控不好而造成额外的损伤，因此在设计阶段需要考虑不同身体尺寸的人的适应性、舒适度等人机问题。

采用虚拟仿真技术可以有效获取大量的行为动作运动数据，为运动器具的开发设计提供可靠的设计参数，从而提升开发速度，降低开发成本。JACK软件（Siemens Tecnomatix Jack）是一款代表性的人体仿真与工效分析软件，具有数据准确、功能丰富的特点，适用于任务环境下的人体行为动作的仿真研究。本文采用JACK软件，针对少自由度下肢屈伸康复系统进行仿真分析，提出优化方向，从而打造安全、健康、舒适的系统。

一、下肢屈伸康复虚拟环境的建立

（一）仿真实验流程设计

老年人下肢屈伸康复系统的仿真实验流程设计见图1。整个实验步骤分为两个阶段：实验前期准备数字模型，构建任务环境；实验中期使用JACK分析工具，获取实验结果。

（二）虚拟数字老年人体模型的建立

JACK具有强大的数字人体建模功能，并且集成了多个国家人体测量数据库，其中就有1989年中国18～60岁成年人人体尺寸（GB/T10000-1988）。随着年龄的增加，老年人的生理状况会发生显著变化，如身高降低、体重减轻等[6]。因此，需要根据老年人的身体尺寸，创建虚拟数字人体模型。

图1 仿真系统流程设计

表1 各百分位数老年人身体参数

2006年，胡海滔等人通过在北京地区的抽样调查，提供了一份完整的老年人人体尺寸数据[7]。通过整理该数据得到了各百分位数老年人身体参数，见表1，结合JACK创建人体对话框中的“Advanced Scaling”功能，可以建立P5、P50、P95的男性和女性共六个老年人数字人体模型，见图2。由于其中手臂长、肘部放松高度、头宽、拇指伸展这四个指标在原数据中尚无，因此借助JACK软件内的“Body Part Scaling”比例尺来实现数据的自动填充。

图2 老年人数字人体模型

图3 少自由度康复并联机构（左）与多自由度康复机器人（右）

图4 虚拟数字康复器械

相较于中国国标数字模型，老年人体数字模型的腹部厚度更厚、臀宽更宽。构建老年人数字模型有助于提高所测数据的准确性。

（三）虚拟数字康复器械模型

因为术后的康复护理工作占用大量医疗资源，所以家庭护理成为了大多数脑卒中患者的选择。对于老年人而言，家庭护理相较于医院更加方便、亲近、约束少，因此他们更青睐家庭环境的康复护理。在家庭康复护理环境下，性价比高、操作简便的小型少自由度康复并联机构代替昂贵且操作复杂的大型多自由度康复机器人，成为了家用康复器械的新宠。少自由度康复并联机构（左）与多自由度康复机器人（右）见图3。

为了研究患者，尤其是老年人，在使用少自由度康复并联机构的过程中是否安全、健康、舒适，可通过构建虚拟数字模拟人与数字康复器械模型来进行验证。

当前中国的康复器械制造商尚且处在“制造”阶段，设计只是在引进国外原理、对其进行模仿、改造，基本停留在“外观造型”的美化上[8]，因此，存在较多的人机问题是本研究调查的重点。本次测试模型选取丰泽下肢康复脚踏车为蓝本，创建等比例尺寸模型。虚拟数字康复器械见图4。该康复器械的工作原理和使用方法与所调研的二十三种同类产品大致相同，仅在形态外观和功能结构上有微小的差异。因其图片清晰、参数详细，且具有普遍性和代表性，所以选择该产品作为蓝本。

由于JACK在三维建模方面的不完善，所以在NX UG中创建本文的分析对象。然后，将模型保存成IGS文件格式。最后，在JACK软件中通过Import命令导入IGS文件，生成一个FIG文件和多个PSS文件。其中，FIG文件包含了位置、颜色和关节之间的联系；PSS文件包含了几何图形信息。

该蓝本具备下肢康复的基础功能，同时能够调节座位高度，调整踏机阻尼，具有显示运动时间、频率和旋转圈数的功能。

其座位具有五个调节孔，分别对应P1、P5、P50、P95、P99百分位的人群。将P5、P50、P95的男性老年人分配至2、3、4档使用。由于女性老年人身体尺寸要小于男性，因此将P5、P50、P95的女性老年人分配至1、2、3档使用。

（四）创建虚拟康复任务

该肢体康复设备的功能和使用方式主要是坐式康复训练。将座椅调整至合适高度后，让用户坐于其上，双手搭至扶手处，双脚踩在踏板上，沿轨迹下肢作屈伸运动，双目观察康复设备的显示器。在康复运动过程中，用户可观测到练习时长、圈数等信息，并可以改变阻尼的大小，增加下肢负荷，从而提升康复效果。下肢屈伸运动轨迹见图5。

将虚拟数字老年人体模型放置于座位上，下肢呈现一屈一伸状态，踏板位于0°和180°位置，任务场景见图6。使用JACK“TSB”功能，制作用户执行康复任务的动画。

图5 下肢屈伸运动所沿轨迹

图6 任务场景

图7 下肢屈伸运动动画轨迹

表2 JACK绩效分析模块

下肢屈伸运动动画轨迹见图7。这是P5百分位的老年男性在完成下肢屈伸运动一周的动画过程。仿真人脚掌固定于踏板之上，踏板由初始0°位置，绕中心轴旋转至360°，回到原位置为一周期。左右脚踏根据机械结构原理，错位旋转。

为P5、P50、P95的男性老年人和P5、P50、P95的女性老年人创建了六组动画。至此完成了虚拟康复任务的建立。

二、下肢屈伸康复系统绩效分析

JACK具有多个绩效分析模块，见表2。然而并非所有分析工具都适用于本任务。

通过选取合适的工具，即舒适度评估、力度解算分析和工作姿势分析，对下肢屈伸运动行为进行仿真。

（一）舒适性评估结果

舒适度评估模块可以分析动画过程中数字人各关节的舒适度。舒适度以关节弯曲程度作为判断依据，以条形图表的形式呈现。当关节弯曲度超过了规定范围，数据条长度变长，并由绿色变为黄色[9]。

如果老年人长期处于不舒适的运动状态，将会对关节产生损害。舒适度数据会随着动画的播放而变化，在极限位置，尤其是垂直极限位置时，膝关节和髋关节不适程度会达到最高点，各人体模型的舒适度评估见图8。

通过分析图8，可以发现所有百分位的老年人髋关节、膝关节活动角度过大，存在康复活动中不舒适乃至关节损伤的风险。

（二）力度解算分析结果

JACK软件中“Forcesolver”是静态强度预测（SSP）和下背部分析（LBA）工具，用于预测一个人在规定的条件下可以发挥的最大可接受力。“ForceSolver”分析的结果基于用户定义的关节强度能力和下背力限制，其中“Capable值”是当前被测可发挥的最大可接受力与软件内标准值之比，可译为“能力百分比”。如果“能力百分比”分析结果为红色，则意味着被评估的姿势无法达到；绿色是基于所述规定的阈值中可被接受的限制；黄色则突出哪个关节或下背部力方向，是所需姿势的限制因素，各人体模型的力度解算分析结果见图9。

在仿真动画运动过程中，P95老年男性仿真人运动至垂直极限位置时，右膝关节能力百分比值降至73%。该状态实质上是在脚踏运动过程中，左膝关节伸直放松，右膝关节弯曲发力的阶段，该阶段对右膝关节的负荷极大，很容易造成损伤。

P5、P50的老年男性仿真人能力百分比值为43%和63%，P5、P50、P95的老年女性仿真人能力百分比值为42%和69%。由此可见，大百分位数的人群完成动作的能力更强；小百分位数的人群由于力量、身体尺寸等因素致使其完成动作的能力较差。

（三）工作姿势分析结果

JACK中的“OWAS Working Posture Analysis”工具可以快速检查工作姿势的舒适度并提供纠正方法。该工具具有四个评级：（1）姿势正常，无需采取纠正措施；（2）姿势可能会产生一些有害影响，无需立即采取措施，但在不久的将来可能有必要纠正；（3）姿势有有害作用，必须尽快采取纠正措施；（4）姿势极度有害健康，必须立即采取纠正措施。OWAS工作姿势分析结果见图10。

图8 各人体模型的舒适度评估

根据结果可以看出，六个百分位数中有五个结果为第二级别，当前的器械对康复锻炼行为会产生一定有害影响，有必要作一些改变。

三、结语

运用舒适度分析工具获得结果，并且得到启示：在设计器械结构时，需要考虑髋关节内旋/外旋、收/放的舒适度问题，其角度变化受脚踏方向、脚踏间距的影响。JACK提供的建议是髋关节内外旋角度为-15°～15°，收放角度为-5°～20°。在设计器械脚踏时，应当给出一定的倾斜角度或活动角度，以提升舒适度。运用力度解算分析工具获得结果，并且得到启示：在设计和调节孔位置时，应当考虑满足大百分位数人群的身体尺寸和施力方式。可以采用增大调节范围，增加调节孔数的办法，扩大使用人群的范围，实现长尾效应。运用工作姿势分析工具获得结果，并且得到启示：低自由度器械的康复轨迹单一，可调范围狭窄，长期重复使用存在一定的有害影响。这是该类器械目前的局限性，也是其未来发展的方向。数字人体、数字模型及操作任务构建出完整的数字康复系统，通过JACK软件仿真分析，发现该仿真系统中存在的不足和需要改进的方向。这有助于在现有基础上改良及优化产品，缩短设计、打样的测试周期，从而让系统真正做到安全、健康、舒适，从本质上提升系统的可用性。

最后要说明的一点是，由于当前没有更新、更大范围的老年人数据库可以参考，所以直接采用了其他学者于2006年在北京地区采集的老年人身体数据，该数据库存在老年人身体数据过时、样本范围小、尺寸与JACK数据库不对应等问题。因此，笔者希望有研究机构或课题组能够建立全国范围的老年人身体数据库，以满足老年人课题的研究需要。

图9 各人体模型的力度解算分析结果

图10 OWAS工作姿势分析结果