穿戴式下肢復健輔助行走裝置結構優化設計

陳虹宇

（電子科技大學成都學院電子工程系，四川 成都 611731）

腦卒中偏癱患者康復訓練的主要目標是提升其步行能力。步行功能障礙往往是降低腦卒中患者生活質量的主要因素。因此，近年來，許多醫療設備研發機構對于如何開發能夠提升腦卒中偏癱患者步行能力的設備做了大量研究，并取得了一定的成果。文獻[7]針對下肢外骨骼的行走過程研究中，采用了擺動模式的動態識別裝置。在符合人體工學的基礎上建立動力學模型，使腦卒中偏癱患者不僅可獲得行走輔助訓練，還能讓下肢肌肉在輔助行走的時候正確施力，避免腦卒中偏癱因無法正確行走而導致肌肉畸態施力。臨床研究表明，異常的運動模式對于人體運動的穩定性、安全性都會造成不利的影響。故有必要設計一種符合人機工程學的步行訓練機構。因此，本文結合文獻[10]的研究結論，設計并優化了一種減重式輔助穿戴式下肢復健輔助行走裝置助行機器：為確保患者使用時保持行走的正確姿勢，在設計中運動過程的時候充分考慮患者使用產品時的安全性和舒適性，從而在運動康復訓練中獲得安全健康且舒適的效果，

1 系統機械結構設計

在不同的條件下，助力下肢外骨骼的運動學模型也是不相同的。因此，為解決該問題，采取了穿戴式復健方法，通過固定于大腿外部的大腿外骨骼，固定于小腿外部上的小腿外骨骼兩部分傳動裝置，在中控電機帶動下，可通過護腰上的吊帶支撐一部分身體重量，整體系統實現輔助患者安全的進行康復運動訓練。所設計的護腰通過束帶安裝在訓練者腰部外側，并且內徑可調。大腿通過安裝腿部外骨骼的方式實現支撐受力，將連續圓周向上支撐力作用于大腿的外骨骼部分，達到在行走中實現抬腿運動的目的；膝彎處連接護膝，通過另一部伺服電機的控制抬動小腿向前或后的圓周擺動，進而使小腿外骨骼部分實現向前邁步功能；作為向前支撐人體行走時的動力來源，通過腰部護腰上伺服電機與大腿頂端梅花連軸器相連，并通過向上拉吊帶支撐人體，向下作用于訓練者肩點，再通過腳底踩壓彈簧的設計，使整個機械結構克服了死點位置。應用中控電機預設程序，在準備開始進行康復訓練時就完成腰部起吊減重，一臺伺服電機抬大腿部支撐減重且控制運動方向、一臺伺服電機抬小腿部支撐減重且控制步幅的模式并模塊化的設計，可以針對下肢有多個部位受損的患者使用。根據上述思路，下肢康復助行器的三維模型如圖1 所示。

2 行走裝置 結構設計及有限元分析

由圖1 所示的可知，行走裝置護腰結構上的伺服電機和大小腿部外骨骼相連處的伺服電機為系統關鍵傳動結構，而其中大腿外骨骼最重要的承載部件，沿上方大腿外骨骼承受的是護腰結構上的來自伺服電機運行的扭矩，再由傳動通過能量傳動，其沿向下的方向承載小腿外骨骼的輸出扭矩，從而帶動患者進行抬腿作用。同時，因為結構的質量很輕，即使經過簡化分析，對系統整體的受力而言，影響微乎其微，可以忽略，因此，系統可以進行適當簡化。

根據人機工程學原理，本文中給定設計極限的額定參考數值，參數選擇按照人體尺寸標準數據和成年人人體慣量參數設計機械結構最大承重載荷為100kg，使用高度不大于1.9m。為增大評估準確系數，將結構受力狀態放大并理想化為最大受力值980N，腿部外骨骼的材料擬確定為45#鋼，其屈服極限為335MPa。將建立的三維立體結構模型導入有限元分析軟件中進行有限元分析，為確保計算的精度，材料的選擇與腿部外骨骼材料一致，均為45#鋼。通過軟件計算輸入參數后，有限元分析結果如圖2 所示。該計算結果中，最大應變為8.725e-004，最大位移為7.189e+000mm，最大屈服準則為5.300e+008N/M^2，因此，該設計方案基本能夠確保系統的安全性及穩定性。

3 結構優化設計及有限元分析

根據行走機構的有限元分析結果可知，機構基本能保證患者使用時的安全性。再下一步的優化設計中，從產品安裝、運輸便利等因素考慮，優化設計時，將原方案的焊接關系配合修改為栓接關系，并在大腿外骨骼結構上打一個減重孔，各部分管件的材質及受力情況保持不變。通過軟件計算輸入參數后，有限元分析結果如圖3 所示。

圖1 行走裝置三維模型

圖2 電機安裝結構有限元分析結果

圖3 大腿支撐件安裝結構有限元分析結果

在不影響機構安全性的前提下進行有限元分析，整理有限元分析優化結果得出的數據結果整理得表1。

表1 機械結構設計優化分析結果

在最初的設計方案中，大腿外骨骼質量過于輕便（1.017kg），明顯不符合器材本身所需的安全性能，從材料上針對性的更變：鎂合金改為45 號鋼。改進后的方案大腿外骨骼質量適中（7.825kg），從參數分析該方案滿足了患者使用器材時所需的安全性要求。在最初的設計方案中，整體結構用焊接結構，但從生產和運輸考慮方面考慮，顯然造價太高且不利于運輸，將整體結構的連接方式從焊接改為栓接，此時，整體的結構質量略大（8.064kg）。因此，對系統進行的優化設計，同時，考慮舒適性等問題，在確定為栓接結構的前提下，先將材料變更為6061 鋁和45 號鋼搭配使用，從優化方案的結果來看，其結構質量較之前者有所減?。?.691kg）。最后，再按照最大允許形變位移和許用應力進行調整，且打了減重孔后更加方便運輸，故從強度、重量以及運輸性能等方面來看，優化設計方案均優于原方案。

4 結語

本文設計了一套可以穿戴得減重式下肢復健輔助行走的裝置，對機械結構進行了力學分析，并用對該結構進行了強度分析，根據數值計算結果開展進一步優化設計，達到了預期目的。輔助使用者實現對標健康人體運動軌跡運動的健康運動模式，保證患者在使用器材安全舒適時完成健康的行走訓練。本文設計的實用新型設備具有質量輕、結構穩定、使用簡單，便于運輸，益于市場推廣等優點。