李剛， 宋振東， 鄒風(fēng)山， 孫乾城， 李加平

（1.沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 中央研究院，沈陽110169；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳518055）

0 引 言

目前在研的絕大多數(shù)外骨骼采用電能、液壓等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，質(zhì)量較大、售價(jià)較高、續(xù)航能力較差[1-3]，嚴(yán)重地影響了外骨骼的商業(yè)化推廣[4-7]。

無動(dòng)力下肢外骨骼是外骨骼領(lǐng)域近幾年的研究熱點(diǎn)。無動(dòng)力下肢外骨骼是一種基于被動(dòng)行走原理[8-9]的可穿戴外骨骼設(shè)備。其在運(yùn)行過程中無需消耗電能等外部能源，可完全依靠特有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用自身力學(xué)特性驅(qū)動(dòng)活動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)下肢助力。被動(dòng)行走的步態(tài)軌跡與人類行走的步態(tài)軌跡十分接近[10-11]，將被動(dòng)行走運(yùn)力與外骨骼技術(shù)結(jié)合，可最大程度地實(shí)現(xiàn)人-機(jī)相容，更可有效地減少行走過程中的能源消耗，從而實(shí)現(xiàn)外骨骼設(shè)備的減重優(yōu)化。

日本名古屋大學(xué)與今仙技術(shù)研究院率先研發(fā)了全球第一臺(tái)商業(yè)化無動(dòng)力助行器ACSIVE。ACSIVE可為單側(cè)髖關(guān)節(jié)提供助力，從而實(shí)現(xiàn)患者腿部助力功能。單側(cè)質(zhì)量為0.55 kg，可單獨(dú)使用，也可以左右兩側(cè)同時(shí)使用。目前已經(jīng)在日本醫(yī)療機(jī)構(gòu)及養(yǎng)老機(jī)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模使用，效果得到了充分肯定[12]。

鑒于無動(dòng)力外骨骼的眾多優(yōu)點(diǎn)及巨大的市場前景，綜合分析了現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)后，本項(xiàng)目組深入研究了被動(dòng)行走原理及下肢助力外骨骼的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，研發(fā)了第一代無動(dòng)力下肢外骨骼，并進(jìn)行了相關(guān)測試及臨床試用[13]7-8。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的無動(dòng)力下肢外骨骼可為患者提供較大的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)助力，并能有效糾正患者足內(nèi)翻、足外翻癥狀。在臨床試用過程中，得到了患者和康復(fù)治療師的充分肯定。

盡管第一代無動(dòng)力下肢外骨骼取得了階段性的進(jìn)展，但也存在一些問題，例如未針對(duì)半失能老人步態(tài)特征進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)節(jié)方式繁瑣、整機(jī)質(zhì)量大、固定方式不穩(wěn)、缺少必要護(hù)具、未充分考慮半失能老人操作需求等。因此，本文針對(duì)半失能老人下肢運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立了人體下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，推導(dǎo)了人體行走動(dòng)力學(xué)方程。在此基礎(chǔ)上，提出了面向半失能老人的無動(dòng)力外骨骼結(jié)構(gòu)方案，并進(jìn)行了關(guān)鍵承力部件仿真分析，完成了綁帶等柔性部件的設(shè)計(jì)及外觀設(shè)計(jì)，最終加工了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了測試和實(shí)驗(yàn)。

1 半失能老人步態(tài)特征分析

醫(yī)學(xué)界將60歲以上生活不能自理的人界定為失能老人。ADL（日常生活活動(dòng)能力）標(biāo)準(zhǔn)中主要包含6項(xiàng)指標(biāo)：穿衣、吃飯、上下床、上廁所、室內(nèi)行走和洗澡。根據(jù)ADL標(biāo)準(zhǔn)，將失能老人分為輕度失能老人（1～2項(xiàng)無法完成）、中度失能老人（3～4項(xiàng)無法完成）、重度失能老人（5～6項(xiàng)無法完成）。而輕度失能老人及中度失能老人可劃歸為半失能老人。

有研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于成年人群，平均年齡每增加10歲，下肢肌肉質(zhì)量將減少3.9%，70歲與30歲的人群相比，骨骼肌質(zhì)量減少4.12 kg，四肢肌肉減少2.96 kg[14]。對(duì)于半失能老人，下肢力量衰退將導(dǎo)致下肢支撐力不足，同時(shí)伴隨著神經(jīng)控制力下降、神經(jīng)傳導(dǎo)速度減慢、動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間延長等癥狀，在行走過程中，半失能老人常常無法保持身體平衡，造成跌倒，導(dǎo)致骨折甚至威脅生命。因此下肢肌力衰減是導(dǎo)致老年人下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的主要原因。

根據(jù)近幾年對(duì)半失能老人步態(tài)的研究成果可知，半失能老人步長縮短，雙腿支撐相周期延長，步速顯著降低，跨步對(duì)稱性減弱，步間一致性明顯衰減[15]。而對(duì)于半失能老人的步速及步行周期而言，步速明顯減慢，步幅及單步步長縮短，步行周期及單步耗時(shí)增加。在對(duì)半失能老人的髖、膝、踝關(guān)節(jié)的研究中發(fā)現(xiàn)，半失能老人的髖關(guān)節(jié)活動(dòng)度明顯增加，膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)度降低，行走時(shí)外八字現(xiàn)象增多[16]。由于半失能老人足跟部著地、膝關(guān)節(jié)屈曲、踝關(guān)節(jié)跖屈動(dòng)作減慢，使半失能老人在行走過程中過于求穩(wěn)而不求快，在擺動(dòng)相擺動(dòng)腿活動(dòng)幅度減小，抬起高度降低，從而導(dǎo)致半失能老人在行走時(shí)出現(xiàn)腳尖、腿部“拖拉”現(xiàn)象[17]。表1所示為半失能老人與年輕人步行數(shù)據(jù)對(duì)比。

由以上分析可知，若要有效解決半失能老人下肢行走障礙問題，需在不明顯增加其負(fù)重的情況下，對(duì)其髖、膝、踝關(guān)節(jié)提供有效輔助力。

表1 步行數(shù)據(jù)

2 人體下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)人體結(jié)構(gòu)相關(guān)研究可知，人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)分別擁有3自由度、1自由度、3自由度，各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度如表2所示[18-20]。

將人體簡化為五桿模型，各連桿長度及運(yùn)動(dòng)角度如圖1所示。

其中θ1～θ5代表連桿與豎直軸的夾角，l1～l5代表人體模型各部位長度。設(shè)支撐腿為左腿，各關(guān)節(jié)在坐標(biāo)系中的位置為（xi，zi）（i=1,2,3,4,5,6），點(diǎn)3與點(diǎn)4重合，代表同一個(gè)關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)高度為Hh，下肢各部位質(zhì)量為mi（i=1,2,3,4,5），下肢各部位質(zhì)心坐標(biāo)為（xci，zci）（i=1,2,3,4,5），di（i=1,2,3,4,5）為各質(zhì)心到下方關(guān)節(jié)的距離，則：

表2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度

圖1 五桿模型

式中：p12=m2d2l1+（m3+m4+m5）l1l2；p13=m3d3l1；p14=m4l1（l4-d4）+m5l1l4；p15=m5l1（l5-d5）；p23=m3d3l2；p24=m4l2（l4-d4）+m5l2l4；p25=m5l2（l5-d5）；p45=m5l4（l5-d5）；h1=p12sin（θ1-θ2）θ?22+p13sin（θ1-θ3）θ?32-p14sin（θ1+θ4）θ?42-p15sin（θ1+θ5）θ?52；h2=-p12sin（θ1-θ2）θ?12+p23sin（θ2-θ3）θ?32-p24sin（θ2+θ4）θ?42-p25sin（θ2+θ5）θ?52；h3=-p13sin（θ1-θ3）θ?12+p23sin（θ2-θ3）θ?22；h4=-p14sin（θ1+θ4）θ?12-p24sin（θ2+θ4）θ?22+p45sin（θ4-θ5）θ?32；h5=-p15sin（θ1+θ5）θ?12-p25sin（θ2+θ5）θ?22-p45sin（θ4-θ5）θ?42；G1=-[m1d1+（m2+m3+m4+m5）l1]gsin θ1；G2=-[m2d2+（m3+m4+m5）l2]gsin θ2；G3=-（m3d3）·gsin θ1；G4=[m4（l4-d4）+m5l4]gsin θ4；G5=[m5（l5-d5）]gsin θ5。

3 無動(dòng)力下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一代無動(dòng)力下肢外骨骼（下文簡稱第一代外骨骼）助力關(guān)節(jié)采用扭簧作為動(dòng)力源，扭簧線徑為4 mm，最大工作轉(zhuǎn)矩為5 N·m，最大工作角度為90°[13]2-6。在臨床試用過程中，根據(jù)康復(fù)師及用戶反饋，該關(guān)節(jié)助力大小可滿足患者需求。因此，本文仍采用該規(guī)格的扭簧。

由于本項(xiàng)目研發(fā)的無動(dòng)力外骨骼主要是面向半失能老人的一種可穿戴助力設(shè)備。由于半失能老人年齡增加，身體各項(xiàng)機(jī)能衰退，肌肉力量減弱，因此無動(dòng)力外骨骼應(yīng)具備操作簡單省力、調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)。根據(jù)以上需求，本文設(shè)計(jì)了基于軸向插銷固定式轉(zhuǎn)矩可調(diào)節(jié)無動(dòng)力助力關(guān)節(jié)，如圖2所示。

圖2 助力關(guān)節(jié)

圖2（a）所示為助力關(guān)節(jié)外形，整個(gè)關(guān)節(jié)盒式的設(shè)計(jì)理念，將所有機(jī)構(gòu)置于關(guān)節(jié)外殼內(nèi)部，既保證了機(jī)構(gòu)具有較好的封閉運(yùn)行環(huán)境，又能保護(hù)用戶與運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，有效避免了衣服等物品卷入機(jī)構(gòu)所帶來的危險(xiǎn)。圖2（b）所示為助力關(guān)節(jié)剖面圖，結(jié)構(gòu)可以分為上下兩部分，上部分從左至右依次為關(guān)節(jié)固定板、定位插銷、彈簧、插銷蓋板；下部分從左至右依次為關(guān)節(jié)固定板、關(guān)節(jié)外殼1、扭簧、高耐磨止動(dòng)墊片1、軸套、高耐磨止動(dòng)墊片2、關(guān)節(jié)外殼2、軸端擋片。扭簧的一端固定在關(guān)節(jié)外殼1的卡槽內(nèi)，扭簧的另一端固定在關(guān)節(jié)外殼2的卡槽內(nèi)。關(guān)節(jié)外殼1的內(nèi)部凸臺(tái)緊靠高耐磨止動(dòng)墊片1一側(cè)，高耐磨止動(dòng)墊片1另一側(cè)與軸套的端面緊貼。軸套的另一端與高耐磨止動(dòng)墊片2的一側(cè)緊靠，高耐磨止動(dòng)墊片2的另一側(cè)與關(guān)節(jié)外殼2內(nèi)部凸臺(tái)緊靠。軸端擋片通過超短頭內(nèi)六角螺釘與關(guān)節(jié)固定板下部凸起的關(guān)節(jié)軸緊密固定，將整個(gè)關(guān)節(jié)盒固定在關(guān)節(jié)固定板的關(guān)節(jié)軸上。關(guān)節(jié)外殼1的圓周方向上，均布有插銷定位孔?；颊咴谡{(diào)節(jié)關(guān)節(jié)助力時(shí)，手動(dòng)向上拔出定位插銷，彈簧收縮變形，通過旋轉(zhuǎn)插銷將定位插銷把手卡入定位槽中，此時(shí)定位插銷無法下落，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)外殼1，調(diào)節(jié)至合適的定位孔并對(duì)準(zhǔn)定位插銷下端。向上拔出定位插銷，旋轉(zhuǎn)定位插銷至滑槽，松開定位插銷，定位插銷在彈簧恢復(fù)力作用下向下彈出，插入插銷定位孔，完成助力關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩大小的調(diào)節(jié)。

3.2 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在無動(dòng)力外骨骼運(yùn)行時(shí)，助力髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)軸線需與患者髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)軸向共線，否則在機(jī)體與患者中易造成運(yùn)動(dòng)干涉，威脅用戶安全。因此對(duì)于不同身高的患者，需要調(diào)整腿部側(cè)板的長度，使助力髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)分別位于患者髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)外側(cè)。在腿部側(cè)板長度調(diào)節(jié)的過程中，由于半失能老人多數(shù)存在無法大幅度彎腰及手部力量薄弱等癥狀，無法使用專業(yè)工具，如六角扳手等。因此無動(dòng)力外骨骼腿部調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)仍需具有調(diào)節(jié)方便、操作簡單省力的特點(diǎn)。針對(duì)該需求，本文設(shè)計(jì)了按壓卡簧式自動(dòng)回彈腿部長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 腿部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

圖3（a）、圖3（b）分別為腿部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)透視圖及爆炸圖。如圖3（b）所示，腿部長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成從左向右依次包括按壓螺帽、彈簧、關(guān)節(jié)外殼2、大腿側(cè)板、鎖緊擋塊。按壓螺帽的螺紋桿穿過彈簧，使彈簧的一端卡入按壓螺帽內(nèi)的卡槽。彈簧的另一端與關(guān)節(jié)外殼2緊靠。按壓螺母的螺紋桿穿過關(guān)節(jié)外殼2下部的通孔及腿部側(cè)板上部的擋塊卡槽，鎖緊擋塊在關(guān)節(jié)外殼2下部的另一側(cè)與按壓螺帽的螺紋桿旋緊。當(dāng)患者調(diào)節(jié)腿部長度時(shí)，只需單手向內(nèi)側(cè)壓緊按壓螺帽，此時(shí)按壓螺帽壓縮彈簧，將鎖緊擋塊從腿部側(cè)板的擋塊槽中推出。然后患者可用另一只手向上或向下調(diào)節(jié)腿部側(cè)板。調(diào)節(jié)完成后，釋放按壓螺帽，按壓螺帽在彈簧恢復(fù)力作用下自動(dòng)彈回，按壓螺帽帶動(dòng)鎖緊螺母自動(dòng)回到腿部側(cè)板的擋塊槽中，將腿部側(cè)板位置鎖定，完成調(diào)節(jié)。整個(gè)過程無需專業(yè)工具，操作簡單、省力，完全滿足半失能老人的操作需求。

由于半失能老人中髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)力量退化程度不同，因此有些老人需要對(duì)髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)進(jìn)行助力，有些老人只需對(duì)髖關(guān)節(jié)進(jìn)行助力，因此在無動(dòng)力外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)具有模塊化裝配及拆卸功能。因此本文將髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)成相同結(jié)構(gòu)，便于模塊化拆卸。膝關(guān)節(jié)可固定于大腿側(cè)板下端，通過專門的卡扣結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，拆卸方便，模塊化程度高，如圖4所示。

圖4 可模塊化裝配的助力關(guān)節(jié)

當(dāng)患者髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)均需助力時(shí)，可在無動(dòng)力外骨骼上同時(shí)裝配助力髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)；當(dāng)患者只需要髖關(guān)節(jié)助力時(shí)，可只裝配助力髖關(guān)節(jié)，如圖5所示。這種模塊化裝配的思想使無動(dòng)力外骨骼使用方式及使用范圍更加靈活和廣泛。

圖5 無動(dòng)力外骨骼的不同用法

3.3 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腰部結(jié)構(gòu)是將無動(dòng)力外骨骼與半失能老人固定的有效部位，又是連接助力關(guān)節(jié)的橋梁。因此腰部結(jié)構(gòu)必須符合人體工程學(xué)，而且具有多維尺寸調(diào)節(jié)功能。由于無動(dòng)力外骨骼的重力主要由用戶腰部承載，因此腰部結(jié)構(gòu)還必須考慮與腰部綁帶的固定方式。鑒于以上功能需求，本文設(shè)計(jì)了無動(dòng)力外骨骼腰部結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6為腰部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了人體工程學(xué)，其結(jié)構(gòu)輪廓為流線形，外表面無尖銳凸出物，符合醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。腰部結(jié)構(gòu)在尺寸調(diào)節(jié)方面具備3個(gè)方向的調(diào)節(jié)功能，包括腰部寬度調(diào)節(jié)、腰部前后調(diào)節(jié)及髖關(guān)節(jié)上下調(diào)節(jié)。腰部寬度及腰部前后調(diào)節(jié)方式采用旋鈕擠壓，通過旋鈕對(duì)部件的擠壓，利用摩擦力將腰部部件鎖定，無需專業(yè)工具，單手徒手即可完成調(diào)節(jié)。前后調(diào)節(jié)后的腰部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 腰部結(jié)構(gòu)

髖關(guān)節(jié)與腰部結(jié)構(gòu)采用卡槽方式進(jìn)行固定，利用腰部前側(cè)的定位孔進(jìn)行上下調(diào)節(jié)。整個(gè)固定機(jī)構(gòu)只需一個(gè)手?jǐn)Q螺母即可完成固定及拆卸，極大地降低了無動(dòng)力外骨骼的操作難度，調(diào)節(jié)過程省時(shí)省力。圖8所示為腰部結(jié)構(gòu)與髖關(guān)節(jié)固定示意圖。

大型油船輔鍋爐汽包水位對(duì)其控制系統(tǒng)的要求較高，水位變化對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要。為能滿足控制精度和速度和對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力，通常運(yùn)用雙沖量串級(jí)控制和三沖量串級(jí)控制。由于設(shè)備運(yùn)行工況多變使得汽包水位系統(tǒng)表現(xiàn)非線性、時(shí)變和強(qiáng)干擾等特性，因此常規(guī)PID控制對(duì)汽包水位的控制效果欠佳。[1]

3.4 關(guān)鍵部件力學(xué)仿真分析

為保證無動(dòng)力外骨骼結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定安全的運(yùn)行，需對(duì)關(guān)節(jié)承力部件進(jìn)行力學(xué)仿真分析。在運(yùn)動(dòng)過程中，主要承力部件有助力關(guān)節(jié)外殼1、助力關(guān)節(jié)外殼2、腿部側(cè)板、定位插銷、關(guān)節(jié)固定板等。本文以關(guān)節(jié)外殼1及腿部側(cè)板為例，進(jìn)行仿真分析。對(duì)于關(guān)節(jié)外殼1，該部件采用碳纖維材料，彈性模量為300 GPa，泊松比為0.31，密度為1.62 g/cm3，該部件受到扭簧對(duì)卡槽的轉(zhuǎn)矩及插銷對(duì)定位孔的周向阻力，扭簧最大轉(zhuǎn)矩為5 N·m，圖9所示為關(guān)節(jié)外殼1的應(yīng)力云圖。

圖7 腰部前后調(diào)節(jié)

圖8 腰、髖固定

由圖9可知，關(guān)節(jié)外殼1在受到扭簧施加的周向5 N·m的轉(zhuǎn)矩時(shí)，部件最大應(yīng)力并未超過材料屈服強(qiáng)度，故滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于腿部側(cè)板，其上下連接助力髖關(guān)節(jié)及助力膝關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩為5 N·m，因此腿部側(cè)板最大承受10 N·m的轉(zhuǎn)矩，材料與關(guān)節(jié)外殼1相同。圖10為腿部側(cè)板應(yīng)力仿真云圖，由圖10可知，腿部側(cè)板在受到最大轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，部件最大應(yīng)力并未超過材料的屈服強(qiáng)度，故滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 關(guān)節(jié)外殼1應(yīng)力云圖

圖10 腿部側(cè)板應(yīng)力云圖

4 綁帶等柔性部件設(shè)計(jì)及外觀設(shè)計(jì)

在無動(dòng)力外骨骼工作時(shí)，需要與患者下肢可靠、緊密地固定在一起。由于用戶是半失能老人，因此安全舒適的固定及保護(hù)部件對(duì)用戶十分重要。本文針對(duì)半失能老人的下肢結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了無動(dòng)力外骨骼專用綁帶，提出采用腰部、大腿、小腿三點(diǎn)固定的綁帶安裝方案，如圖11所示。圖11（a）為腰部及腿部綁帶，腰部綁帶采用1 cm厚海綿作為緩沖材料，海綿表面覆蓋有高強(qiáng)度透氣材料，用以增加腰部綁帶的承載強(qiáng)度。在最外層覆蓋有三明治透氣材料，使綁帶在使用過程中具有較好的透氣性。腰部綁帶具有上下兩條鎖緊腰帶，腰帶內(nèi)側(cè)布置有粘扣，腰帶鎖緊部分采用雙向可調(diào)卡扣，卡扣可實(shí)現(xiàn)左右?guī)чL的調(diào)節(jié)，并能反向自鎖，配合要帶上的粘扣，實(shí)現(xiàn)腰帶長度鎖緊的雙重保險(xiǎn)。腿部綁帶的設(shè)計(jì)理念與腰部綁帶相似，不再贅述。圖11（b）所示為柔性綁帶的穿戴效果。

無動(dòng)力外骨骼腳部提拉機(jī)構(gòu)可使患者腳尖向上抬起，可有效解決患者行走過程中，由于腳尖拖地導(dǎo)致的跌倒、絆倒。因此腳部提拉機(jī)構(gòu)是無動(dòng)力外骨骼的重要組成部分，如圖12所示。

圖11 綁帶設(shè)計(jì)

圖12 腳部提拉機(jī)構(gòu)

腳部提拉機(jī)構(gòu)由防滑鞋底和可調(diào)節(jié)彈力帶組成，防滑鞋底具有尺寸調(diào)節(jié)功能，可以與患者踝關(guān)節(jié)及足面進(jìn)行緊密固定?？烧{(diào)節(jié)彈力帶具有彈力調(diào)節(jié)功能，通過調(diào)節(jié)左右彈力帶的長短實(shí)現(xiàn)提拉力的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者足內(nèi)翻、足外翻的糾正功能。

針對(duì)以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，本文對(duì)設(shè)計(jì)的無動(dòng)力外骨骼進(jìn)行了外觀設(shè)計(jì)，如圖13所示。

5 樣機(jī)加工與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，本文加工了無動(dòng)力外骨骼產(chǎn)品樣機(jī)，如圖14所示。為測試無動(dòng)力下肢外骨骼各項(xiàng)性能，本文進(jìn)行了相關(guān)測試和實(shí)驗(yàn)，其中包括：結(jié)構(gòu)質(zhì)量測試、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩測試、連續(xù)行走測試、上下樓梯測試，以及平地行走臨床實(shí)驗(yàn)。

圖13 無動(dòng)力外骨骼整體效果

5.1 結(jié)構(gòu)質(zhì)量測試

本文采用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的碳纖維材料進(jìn)行加工。在保證各部件具有足夠強(qiáng)度的前提下，極大地降低了設(shè)備質(zhì)量，圖15所示為結(jié)構(gòu)質(zhì)量測試。

圖15（a）為無動(dòng)力外骨骼整機(jī)質(zhì)量，總質(zhì)量為2.655 kg，整機(jī)質(zhì)量包括腰部質(zhì)量、大腿質(zhì)量、小腿質(zhì)量及所有標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)量。圖15（b）為外骨骼助力部分質(zhì)量，質(zhì)量為1.725 kg，助力部分質(zhì)量包括大腿質(zhì)量、小腿質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)件質(zhì)量。

圖14 無動(dòng)力外骨骼樣機(jī)

圖15 產(chǎn)品質(zhì)量測試

5.2 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩測試

關(guān)節(jié)同一方向定位孔分為5擋，均布在關(guān)節(jié)外殼周向，腿部側(cè)桿到關(guān)節(jié)中心距離為0.38 m，測試結(jié)果表3所示。

因此關(guān)節(jié)提供的轉(zhuǎn)矩Ti（i=1,2,3,4,5）依次為：

圖16 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩測試

表3 關(guān)節(jié)扭矩測試結(jié)果 N·m

經(jīng)計(jì)算，關(guān)節(jié)最大助力為5.63 N·m，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5.3 連續(xù)行走測試

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的無動(dòng)力外骨骼在平地行走過程中的助力效果及柔性綁帶的舒適性，本文進(jìn)行了連續(xù)行走測試。選取身高1.5～1.9 m的實(shí)驗(yàn)人員10人，分別穿戴無動(dòng)力外骨骼進(jìn)行連續(xù)平地行走。實(shí)驗(yàn)場地為公司設(shè)備測試實(shí)驗(yàn)室內(nèi)長10 m、寬2 m的平直防滑地面。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用戶穿戴外骨骼沿著指定路線連續(xù)行走50 m。圖17所示為連續(xù)行走測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖17 連續(xù)行走實(shí)驗(yàn)

由結(jié)果可知，當(dāng)操作人員將用戶與外骨骼通過柔性綁帶緊密固定后，用戶均認(rèn)為無動(dòng)力外骨骼具有明顯助力效果，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程無不適現(xiàn)象產(chǎn)生。

5.4 上下樓梯測試

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的無動(dòng)力外骨骼在上下樓梯過程中具有明顯的助力效果，本文進(jìn)行了上下樓梯測試。測試場地為公司設(shè)備測試實(shí)驗(yàn)室外的標(biāo)準(zhǔn)樓梯間，樓梯高度為20 cm，寬度為30 cm，共18階。選取身高1.5～1.9 m的不同實(shí)驗(yàn)人員共10人，進(jìn)行測試，從樓梯頂端走到樓梯底端，再從底端走到樓梯頂端，為一次實(shí)驗(yàn)。圖18所示為上下樓梯實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖18 上下樓梯實(shí)驗(yàn)

表4 連續(xù)行走實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 上下樓梯實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在10組實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員均認(rèn)為無動(dòng)力外骨骼在上下樓梯過程中具有明顯的助力效果。

5.5 平地行走臨床測試

由于無動(dòng)力外骨骼服務(wù)人群是半失能老人，因此本文進(jìn)行了平地行走臨床測試。測試地點(diǎn)為沈陽盛京康復(fù)中心第一康復(fù)訓(xùn)練室，用戶為患有腦中風(fēng)4期（輕度中風(fēng)，可獨(dú)立站立、行走，但行走需有人攙扶）導(dǎo)致下肢行走障礙的老人，選取身高1.5～1.8 m的患者16人。如圖19所示，為平地行走臨床測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

圖19 臨床測試

由臨床結(jié)果可知，在測試的16組實(shí)驗(yàn)中，只有一名患者認(rèn)為無動(dòng)力外骨骼的助力效果不明顯。這是由于該患者腰部過胖，導(dǎo)致綁帶無法緊密固定，在行走過程中外骨骼與患者產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，助力關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力無法有效地傳遞到患者下肢，其余15組患者均認(rèn)為無動(dòng)力外骨骼具有明顯的助力效果。

表6 臨床行走實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié) 論

1）本文對(duì)半失能老人的步態(tài)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，建立了人體下肢運(yùn)動(dòng)模型，推導(dǎo)了人體行走動(dòng)力學(xué)方程；

2）面向半失能老人，本文設(shè)計(jì)了無動(dòng)力下肢外助力外骨骼。該外骨骼具備腰部、大腿、小腿長度調(diào)節(jié)功能，具備髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)模塊化裝配功能；

3）為更好地保護(hù)患者，針對(duì)半失能老人，本文設(shè)計(jì)了外骨骼專用柔性綁帶，增強(qiáng)了外骨骼的穿戴舒適性和安全性，并對(duì)無動(dòng)力外骨骼進(jìn)行了外觀設(shè)計(jì)；

4）基于理論研究成果，本文加工了無動(dòng)力外骨骼樣機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和臨床測試。實(shí)驗(yàn)及測試結(jié)果表明，在使用了碳纖維材料加工后，機(jī)體質(zhì)量更輕，強(qiáng)度更高；平地行走、上下樓梯均具有較好的助力效果。