外骨骼式下肢康復訓練器的設計探究*

黃孜君，吳建美

（安徽三聯學院機械工程學院，安徽 合肥 230601）

0 引言

老年人更易因為年老體衰導致行走功能退化，且現在下肢殘障患者的數量也不在少數，他們更需要對應的下肢訓練來維持身體機能[1]。不同的患者一般需要不同程度的主、被訓練來完成康復訓練過程，但現在傳統的人工技術或者是簡單的醫療設備已經無法解決患者和老人們的康復訓練和健康需求，根據這一情況，文章設計了一種以恢復下肢運動能力為主的外骨骼式下肢康復訓練器。

訓練器主要由支撐機構、運動平臺、力傳感器、驅動裝置等組成，可以憑借訓練器對患者進行下肢肌肉方面的運動恢復，使他們再度站立，達到利用機器代替人工，輔助患者模擬正常人的步伐進行關節、肌肉的活動訓練，以達到鍛煉下肢肌肉，恢復神經系統對行走功能的控制能力以及走路技能的目的。外骨骼式下肢康復訓練器更貼近人體運動規律，舒適感較高，也有較好的訓練成效，操作簡單，更適合社區和家庭推廣使用。

本文對人體下肢的關節結構運動進行動力學分析，根據正常人的行走步態對外骨骼訓練器運動模式進行設計，達到更好的訓練效果，并基于人機工程學原理對下肢康復訓練器部分結構進行設計，滿足患者在使用過程中的舒適度。

1 人體行走步態分析和下肢模型建立

步態，是指人體步行時的姿態和行為特征，人體通過髖、膝、踝、足趾的一系列連續活動，使身體沿著一定方向移動的過程[2]。步行周期是在行走時一側足跟著地到該側足跟再次著地的一個完整過程。正常人的下肢在步行時位置分為支撐相和擺動相，如圖1所示，時長分別占步行周期的60%和40%，根據步行運動發展來說，一個比較完整的人體步態周期應包括包單足支撐相和雙足支撐相兩個階段[3]。在單足支撐相時，人體一條腿腳底接觸地面承擔身體重量，而另一條腿則處于擺動期。在雙足支撐相時，雙腳著地，由兩只腳支撐著身體的重量，包括前腳著地雙足支撐和后腳著地雙足支撐兩個時期。

圖1 人體步態周期

對下肢運動進行動態分析，發現在整個步行周期中，髖關節屈伸角度逐漸增大，于擺動相中期達到最大角30°，并保持到支撐相開始。后伸角度在足跟離地至足趾離地期達最大角10°～15°。膝關節在周期中出現了兩次屈曲和伸展，在擺動相末期下肢伸展進入站立，隨即在支撐相早期后小幅屈曲，即膝關節屈曲，并在支撐相中期再度伸展，隨后再度屈曲，并在擺動相早期屈曲達到60°，如果這時膝關節屈曲角度受限，會影響小腿向前的擺動，踝關節在足跟著地時保持中立位，足跟離地時跖屈角度約達到20°。髖關節、膝關節、踝關節主要運動特征和運動范圍如表1所示。

表1 下肢關節主要運動特征和運動范圍

由表1可得知，人類下肢骨骼主要包括三大關節，分別為髖關節、膝關節、踝關節。根據對人體下肢運動特點結合人體骨骼結構的特點，一般來說，知道髖關節具有屈伸、內收外展和內旋外旋三個自由度，踝關節具有屈伸、內收外展和內旋外旋三個自由度、膝關節一個自由度，所以可將人體的下肢運動簡化為由髖關節、膝關節、踝關節組成的運動鏈進行的運動。髖關節可以進行3個方向的旋轉運動，可看成為一個球鉸。膝關節是連接大、小腿的鉸鏈，只可以進行1個面內的運動。踝關節同樣可以進行3個方向的旋轉運動，看為一個球鉸。大腿、小腿、足部看為3段剛體。

2 外骨骼式下肢康復訓練器的設計思路

外骨骼式康復機器最早設計是出于幫助患者進行下肢運動，立足于人體下肢運動的步態分析，在使用上必須與人體進行直接接觸，因此外骨骼式下肢康復訓練器必須嚴格遵循人體下肢運動機理。為了不同患者的不同身體結構，還要充分考慮到它的安全性、舒適性等問題[4]。所以在訓練器的結構設計上要求有兩點：一是不能妨礙人體的正常運動；二是要貼近人體行走的步態，根據人體的結構與形態對機器進行優化。根據有關資料顯示，人在走路的時候主要是在矢狀面有著比較大的幅度，在額狀面和橫切面上的運動幅度就比較小，這兩個面只起到了保持平衡的作用。所以在設計外骨骼式下肢康復機器人時，只需要在矢狀面內運動的自由度處裝電動機，在其他面內的運動都可以由人體的力量帶動起來。在外骨骼下肢中，把驅動放在髖關節和膝關節上是最好的方法，這樣一來就可以讓人體在保持平衡的能力上，也很大程度上降低了結構設計和控制的難度。

3 外骨骼式下肢康復訓練器的結構

如何設計訓練器結構是整個外骨骼訓練系統的重心，結構設計的好壞會很大程度上影響訓練器主要功能的展現。為了保證機器的正常行動和用戶使用的靈活性、限制性，避免不安全因素，并使機器更貼合人體，更具舒適性，在實際設計中必須考慮機身流線的設計，如人體的某些參數、關節的自由度等因素。為了確保外骨骼式下肢康復訓練器的舒適性，機器中各個連桿的長度一定要和患者的關節結構保持高度相似。而又因為不同的患者身高腿長都不相同，所以要把機器腰部和腿部的連桿做成可以調節長度的設置。自由度是在保證人體可以進行最基本運動前提下設定，并根據人體行走步態的分析來規劃外骨骼式下肢康復訓練器的髖、膝、踝關節的旋轉角度，使機器可以模擬大部分人體的行走運動功能。

圖2 下肢康復訓練器三維效果圖

外骨骼訓練器主要由腰板、大腿、小腿、腳踏板、髖關節、膝關節、踝關節七個主要部件組成，如圖2所示。為了滿足絕大部分人的需求，大腿和小腿的連桿要做到可以自由調節尺寸。由已知資料可知，我國18歲～60歲男性平均大、小腿長分別為42.55cm、39.52cm；女性平均大、小腿長分別為33.60cm、30.75cm，因此可以確定大腿長和小腿長的尺寸范圍。

腰部的結構除了背板，還設計了一塊腰部底板在腰部來連接背板和大腿，另外在后面設計一個載物板，可用于盛放重物，并在腰板髖關節處使用了一個銷軸和大腿鏈接，來完成大腿和腰部的自由轉動。

根據上文得出的男女性不同的大、小腿尺寸數據，為了滿足不同人群的需求，將大腿桿的最左端開一個通孔，方便與腰部底板連接，在中間部分開孔與載物板連接，最右端開槽，尾部有一個圓弧相連接。將小腿左端與大腿圓弧相連接，在中間位置打兩個與推桿連接的小孔，推動小腿運動。

腳踏板是下肢外骨骼的重心，人在行走中的負重主要都集中在腳板上，在外骨骼裝置中，裝置的重量也主要由腳板支撐，所以必須要同時考慮腳板的強度和剛度，同時保證穿戴者的舒適性。因此，腳板應使用橡膠類的柔軟材質，使穿戴者的腳掌可以自由彎曲，并在腳后跟處的橡膠板內嵌入一塊鋼板用來承重，達到預期的功能。為使腳踏板與小腿連接，需要在腳后跟處開槽來連接小腿。

髖關節對整個人體有著支撐作用，在人體運動過程中有3個方向的運動，依據3個運動方向的重要性、安全性，將電機安裝在髖關節屈、伸運動的位置，把各個運動形式的限位充分考慮到位，不讓零件的扭曲度過高，保證它的安全性。

膝關節在人體下肢所有關節中損傷率較高，設計的過程中需考慮其使用壽命。人體的膝關節只有一個自由度，只有屈伸運動的形式，所以在設計的時候要限制其機械結構，避免使用者在行走過程中產生不便。

踝關節是下肢中最靈活、連接腿部和腳部的重要關節，與髖關節一樣有3個方向的運動。在對人的行走步態分析中，正常行走時踝關節在背屈和跖屈運動時表現突出，又因為大多數踝關節損傷主要是在背屈和跖屈上，所以在設計踝關節時只需保持背屈與跖屈運動的一個自由度即可。

4 外骨骼式下肢康復訓練器的工作過程和使用方法

在外骨骼下肢康復訓練器中，除了腰板等結構，還有電機、銷軸、電動推桿等機構。其工作過程為：啟動電機后，電機通過牽動推桿等機構帶動髖關節外展、內收，前屈、后伸的運動，并帶動大腿的運動。又因大腿與小腿有推桿連接，也可以帶動小腿的運動。當腿抬起時，穿戴者腳部自然下垂，使踝關節進行一個平面上的運動。

使用外骨骼式下肢康復訓練器時，根據不同患者的身高調整好大、小腿桿的長度，再調整訓練器的角度，方便使用者穿戴。將束縛帶或支撐板等裝置固定住人體下肢，與訓練器緊密相連，防止出現意外事故。檢查沒有問題之后，就能啟動電機開始進行下肢訓練。

5 結論

除了傳統的下肢康復器外，外骨骼式下肢康復機器也成為現在最有吸引力的研究之一。外骨骼式機器行業爆發式增長，是發展的熱點，關于相關機器的設計也更加智能化、標準化、系列化。本文主要對人體下肢的運動機理、人體正常行走步態、整體的結構設計等方面進行了研究，給出了大致的外骨骼式下肢康復訓練器設計方案，主要由腰板、大腿、小腿、腳踏板、髖關節、膝關節、踝關節七個主要部分組成，能夠完成髖關節、膝關節和踝關節的外展、內收和前屈、后伸的運動。但因為人體運動的復雜和多變性，所設計的外骨骼式下肢康復器對康復訓練效果還有待通過實驗進一步考證。