外骨骼式下肢康復(fù)訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)探究*

黃孜君，吳建美

（安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

老年人更易因?yàn)槟昀象w衰導(dǎo)致行走功能退化，且現(xiàn)在下肢殘障患者的數(shù)量也不在少數(shù)，他們更需要對(duì)應(yīng)的下肢訓(xùn)練來維持身體機(jī)能[1]。不同的患者一般需要不同程度的主、被訓(xùn)練來完成康復(fù)訓(xùn)練過程，但現(xiàn)在傳統(tǒng)的人工技術(shù)或者是簡(jiǎn)單的醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)無法解決患者和老人們的康復(fù)訓(xùn)練和健康需求，根據(jù)這一情況，文章設(shè)計(jì)了一種以恢復(fù)下肢運(yùn)動(dòng)能力為主的外骨骼式下肢康復(fù)訓(xùn)練器。

訓(xùn)練器主要由支撐機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、力傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置等組成，可以憑借訓(xùn)練器對(duì)患者進(jìn)行下肢肌肉方面的運(yùn)動(dòng)恢復(fù)，使他們?cè)俣日玖ⅲ_(dá)到利用機(jī)器代替人工，輔助患者模擬正常人的步伐進(jìn)行關(guān)節(jié)、肌肉的活動(dòng)訓(xùn)練，以達(dá)到鍛煉下肢肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)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(fù)訓(xùn)練器更貼近人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，舒適感較高，也有較好的訓(xùn)練成效，操作簡(jiǎn)單，更適合社區(qū)和家庭推廣使用。

本文對(duì)人體下肢的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)正常人的行走步態(tài)對(duì)外骨骼訓(xùn)練器運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到更好的訓(xùn)練效果，并基于人機(jī)工程學(xué)原理對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練器部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足患者在使用過程中的舒適度。

1 人體行走步態(tài)分析和下肢模型建立

步態(tài)，是指人體步行時(shí)的姿態(tài)和行為特征，人體通過髖、膝、踝、足趾的一系列連續(xù)活動(dòng)，使身體沿著一定方向移動(dòng)的過程[2]。步行周期是在行走時(shí)一側(cè)足跟著地到該側(cè)足跟再次著地的一個(gè)完整過程。正常人的下肢在步行時(shí)位置分為支撐相和擺動(dòng)相，如圖1所示，時(shí)長(zhǎng)分別占步行周期的60%和40%，根據(jù)步行運(yùn)動(dòng)發(fā)展來說，一個(gè)比較完整的人體步態(tài)周期應(yīng)包括包單足支撐相和雙足支撐相兩個(gè)階段[3]。在單足支撐相時(shí)，人體一條腿腳底接觸地面承擔(dān)身體重量，而另一條腿則處于擺動(dòng)期。在雙足支撐相時(shí)，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(gè)時(shí)期。

圖1 人體步態(tài)周期

對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)步行周期中，髖關(guān)節(jié)屈伸角度逐漸增大，于擺動(dòng)相中期達(dá)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(dá)最大角10°～15°。膝關(guān)節(jié)在周期中出現(xiàn)了兩次屈曲和伸展，在擺動(dòng)相末期下肢伸展進(jìn)入站立，隨即在支撐相早期后小幅屈曲，即膝關(guān)節(jié)屈曲，并在支撐相中期再度伸展，隨后再度屈曲，并在擺動(dòng)相早期屈曲達(dá)到60°，如果這時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲角度受限，會(huì)影響小腿向前的擺動(dòng)，踝關(guān)節(jié)在足跟著地時(shí)保持中立位，足跟離地時(shí)跖屈角度約達(dá)到20°。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)主要運(yùn)動(dòng)特征和運(yùn)動(dòng)范圍如表1所示。

表1 下肢關(guān)節(jié)主要運(yùn)動(dòng)特征和運(yùn)動(dòng)范圍

由表1可得知，人類下肢骨骼主要包括三大關(guān)節(jié)，分別為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)。根據(jù)對(duì)人體下肢運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)結(jié)合人體骨骼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，一般來說，知道髖關(guān)節(jié)具有屈伸、內(nèi)收外展和內(nèi)旋外旋三個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)具有屈伸、內(nèi)收外展和內(nèi)旋外旋三個(gè)自由度、膝關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，所以可將人體的下肢運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)組成的運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。髖關(guān)節(jié)可以進(jìn)行3個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可看成為一個(gè)球鉸。膝關(guān)節(jié)是連接大、小腿的鉸鏈，只可以進(jìn)行1個(gè)面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。踝關(guān)節(jié)同樣可以進(jìn)行3個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，看為一個(gè)球鉸。大腿、小腿、足部看為3段剛體。

2 外骨骼式下肢康復(fù)訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)思路

外骨骼式康復(fù)機(jī)器最早設(shè)計(jì)是出于幫助患者進(jìn)行下肢運(yùn)動(dòng)，立足于人體下肢運(yùn)動(dòng)的步態(tài)分析，在使用上必須與人體進(jìn)行直接接觸，因此外骨骼式下肢康復(fù)訓(xùn)練器必須嚴(yán)格遵循人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理。為了不同患者的不同身體結(jié)構(gòu)，還要充分考慮到它的安全性、舒適性等問題[4]。所以在訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要求有兩點(diǎn)：一是不能妨礙人體的正常運(yùn)動(dòng)；二是要貼近人體行走的步態(tài)，根據(jù)人體的結(jié)構(gòu)與形態(tài)對(duì)機(jī)器進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)有關(guān)資料顯示，人在走路的時(shí)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(yùn)動(dòng)幅度就比較小，這兩個(gè)面只起到了保持平衡的作用。所以在設(shè)計(jì)外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人時(shí)，只需要在矢狀面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的自由度處裝電動(dòng)機(jī)，在其他面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)都可以由人體的力量帶動(dòng)起來。在外骨骼下肢中，把驅(qū)動(dòng)放在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制的難度。

3 外骨骼式下肢康復(fù)訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu)

如何設(shè)計(jì)訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)是整個(gè)外骨骼訓(xùn)練系統(tǒng)的重心，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞會(huì)很大程度上影響訓(xùn)練器主要功能的展現(xiàn)。為了保證機(jī)器的正常行動(dòng)和用戶使用的靈活性、限制性，避免不安全因素，并使機(jī)器更貼合人體，更具舒適性，在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須考慮機(jī)身流線的設(shè)計(jì)，如人體的某些參數(shù)、關(guān)節(jié)的自由度等因素。為了確保外骨骼式下肢康復(fù)訓(xùn)練器的舒適性，機(jī)器中各個(gè)連桿的長(zhǎng)度一定要和患者的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)保持高度相似。而又因?yàn)椴煌幕颊呱砀咄乳L(zhǎng)都不相同，所以要把機(jī)器腰部和腿部的連桿做成可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的設(shè)置。自由度是在保證人體可以進(jìn)行最基本運(yùn)動(dòng)前提下設(shè)定，并根據(jù)人體行走步態(tài)的分析來規(guī)劃外骨骼式下肢康復(fù)訓(xùn)練器的髖、膝、踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，使機(jī)器可以模擬大部分人體的行走運(yùn)動(dòng)功能。

圖2 下肢康復(fù)訓(xùn)練器三維效果圖

外骨骼訓(xùn)練器主要由腰板、大腿、小腿、腳踏板、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)七個(gè)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(diào)節(jié)尺寸。由已知資料可知，我國(guó)18歲～60歲男性平均大、小腿長(zhǎng)分別為42.55cm、39.52cm；女性平均大、小腿長(zhǎng)分別為33.60cm、30.75cm，因此可以確定大腿長(zhǎng)和小腿長(zhǎng)的尺寸范圍。

腰部的結(jié)構(gòu)除了背板，還設(shè)計(jì)了一塊腰部底板在腰部來連接背板和大腿，另外在后面設(shè)計(jì)一個(gè)載物板，可用于盛放重物，并在腰板髖關(guān)節(jié)處使用了一個(gè)銷軸和大腿鏈接，來完成大腿和腰部的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)上文得出的男女性不同的大、小腿尺寸數(shù)據(jù)，為了滿足不同人群的需求，將大腿桿的最左端開一個(gè)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(gè)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(gè)與推桿連接的小孔，推動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)。

腳踏板是下肢外骨骼的重心，人在行走中的負(fù)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(shí)考慮腳板的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)保證穿戴者的舒適性。因此，腳板應(yīng)使用橡膠類的柔軟材質(zhì)，使穿戴者的腳掌可以自由彎曲，并在腳后跟處的橡膠板內(nèi)嵌入一塊鋼板用來承重，達(dá)到預(yù)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(guān)節(jié)對(duì)整個(gè)人體有著支撐作用，在人體運(yùn)動(dòng)過程中有3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，依據(jù)3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的重要性、安全性，將電機(jī)安裝在髖關(guān)節(jié)屈、伸運(yùn)動(dòng)的位置，把各個(gè)運(yùn)動(dòng)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(guān)節(jié)在人體下肢所有關(guān)節(jié)中損傷率較高，設(shè)計(jì)的過程中需考慮其使用壽命。人體的膝關(guān)節(jié)只有一個(gè)自由度，只有屈伸運(yùn)動(dòng)的形式，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候要限制其機(jī)械結(jié)構(gòu)，避免使用者在行走過程中產(chǎn)生不便。

踝關(guān)節(jié)是下肢中最靈活、連接腿部和腳部的重要關(guān)節(jié)，與髖關(guān)節(jié)一樣有3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。在對(duì)人的行走步態(tài)分析中，正常行走時(shí)踝關(guān)節(jié)在背屈和跖屈運(yùn)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)突出，又因?yàn)榇蠖鄶?shù)踝關(guān)節(jié)損傷主要是在背屈和跖屈上，所以在設(shè)計(jì)踝關(guān)節(jié)時(shí)只需保持背屈與跖屈運(yùn)動(dòng)的一個(gè)自由度即可。

4 外骨骼式下肢康復(fù)訓(xùn)練器的工作過程和使用方法

在外骨骼下肢康復(fù)訓(xùn)練器中，除了腰板等結(jié)構(gòu)，還有電機(jī)、銷軸、電動(dòng)推桿等機(jī)構(gòu)。其工作過程為：?jiǎn)?dòng)電機(jī)后，電機(jī)通過牽動(dòng)推桿等機(jī)構(gòu)帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)外展、內(nèi)收，前屈、后伸的運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)大腿的運(yùn)動(dòng)。又因大腿與小腿有推桿連接，也可以帶動(dòng)小腿的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)腿抬起時(shí)，穿戴者腳部自然下垂，使踝關(guān)節(jié)進(jìn)行一個(gè)平面上的運(yùn)動(dòng)。

使用外骨骼式下肢康復(fù)訓(xùn)練器時(shí)，根據(jù)不同患者的身高調(diào)整好大、小腿桿的長(zhǎng)度，再調(diào)整訓(xùn)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(xùn)練器緊密相連，防止出現(xiàn)意外事故。檢查沒有問題之后，就能啟動(dòng)電機(jī)開始進(jìn)行下肢訓(xùn)練。

5 結(jié)論

除了傳統(tǒng)的下肢康復(fù)器外，外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器也成為現(xiàn)在最有吸引力的研究之一。外骨骼式機(jī)器行業(yè)爆發(fā)式增長(zhǎng)，是發(fā)展的熱點(diǎn)，關(guān)于相關(guān)機(jī)器的設(shè)計(jì)也更加智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。本文主要對(duì)人體下肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、人體正常行走步態(tài)、整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究，給出了大致的外骨骼式下肢康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)方案，主要由腰板、大腿、小腿、腳踏板、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)七個(gè)主要部分組成，能夠完成髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的外展、內(nèi)收和前屈、后伸的運(yùn)動(dòng)。但因?yàn)槿梭w運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜和多變性，所設(shè)計(jì)的外骨骼式下肢康復(fù)器對(duì)康復(fù)訓(xùn)練效果還有待通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步考證。