氣壓輔助腰部助力裝置設計

李文燕，雷玲，曹飛

（西安明德理工學院，西安 710124）

0 引言

大量的老年人腰部骨骼老化活動不便；建筑工人或室外重體力勞動者，彎腰活動頻繁且強度大，腰肌勞損遠超常人，常引發腰椎疾病；腰椎間盤突出患者更是中老年人群、多年伏案工作者的常患疾病。腰部疾患給患者帶來極大的痛苦，甚至導致患者無法正常生活和工作。目前對此類疾病的治療方法有，針對輕微患者的護理腰帶、康復鍛煉等，以及針對重癥患者的手術治療、牽引療法、佩戴限制腰部活動的支具等。這些措施對患者起到了不同程度的治療和緩解痛苦作用。但對處于急性發病期或剛剛進行過專門性治療后的腰肌患者來說，并沒有合適的方法能讓患者既可適度活動又可減輕疼痛。考慮到腰疾患者在彎腰時，如果有人將其攙扶一把，將助其減輕疼痛，腰部助力器的設計正是受到此現象啟發，將患者上肢從腋下托起，不但能緩解佩戴者的疼痛，還能保護腰肌，牽引腰椎，對患者起到治療作用。

1 設計方案

1.1 產品結構

本產品由皮帶、氣缸組件、腋托等3部分組成（如圖1）。穿戴時，氣缸組件通過連接塊連接在皮帶上，將腋托放在穿戴者腋下，如圖2和圖3所示。

圖1 產品組成

圖2 穿戴后人體正面示意圖

圖3 穿戴后人體側面示意圖

1.2 工作原理

本產品采用托舉方式為腰部疾患者助力。患者系上腰帶，將腋托放置在兩側腋下，向下彎腰時，氣缸內的支撐力將人的上身向上托扶起，減輕穿戴者的彎腰負擔，同時人體的部分質量通過氣缸下端傳遞到腰帶上，腰帶再將力量傳遞到腰椎部位，進一步增加腰部舒適度。

氣缸內支撐力可通過彎腰動作自動循環增加。如圖4所示，當活塞上行時，氣缸上腔內的氣體通過單向閥流入下腔，使下腔氣體量增多；人向下彎腰時，活塞下行，由于單向閥的作用，下腔氣體無法流出，下腔壓力升高，對人體起到托舉作用；以后每次彎腰時，重復上述過程，使氣缸下腔壓力不斷增加，托舉力隨之增大。當達到人體所需最大托舉力時，多余的氣體便可通過泄氣閥排出。調節泄氣閥出口壓力，可獲得合適的最大托舉力。活塞循環數次后，氣缸上腔內氣體稀少，此時可通過上腔出口處的單向閥向缸內補充空氣。

圖4 氣缸托舉原理圖

2 氣缸支撐力計算

CMD16-150型氣缸壓力范圍為0～1 MPa;活塞面積為3.14×102÷4=78.5 mm2;支撐力范圍為（0～1）×78.5=0～78.5 N;成年人上體平均質量為60×0.4×9.8=235 N。

本助力器設計為彎腰時的助力，并不需要支撐起全部上體質量，經實測，彎腰40°時需要助力的大小不超過50 N，故CMD16-150型氣缸能滿足多數成年人的助力需求。超常體重者可選擇加大型號的氣缸專門制作的助力裝置。

3 人體受力分析

患者戴好腰帶，先上下移動氣缸活塞桿2～3次，使氣缸內升起適宜的壓力，將兩側腋托置于腋下，此時裝置內力的傳導路線如圖5所示，人體重力通過氣缸體向下傳到腰帶時，由于腰帶是柔性材料制成的，其前端受到來自氣缸底部向下的壓力時會使整條腰帶傾斜，故沿氣缸底端傳出的力分解為兩路互相垂直方向的力，一路壓向腰帶下方邊緣，傳給人體胯部；另一路沿腰帶長度方向傳到人體后側，壓向人的腰椎部位。

圖5 裝置傳力路線

患者直立時的受力狀態如圖6所示，裝置將上肢向上托舉，上肢質量通過裝置壓到臀部，位于上肢與臀部之間的腰椎部位受到牽拉，對于患有腰椎間盤疾病的患者來說，起到牽引治療作用。同時，腰帶后側還會對人體腰椎部位構成垂直于皮膚方向的壓力，恰好對腰部起到類似按摩的作用。

圖6 直立時人體受力分析

患者彎腰時，活塞下行，缸內氣壓升高，裝置對上肢的托舉力隨之增大，有效地減緩了腰部受力，同時腰帶對腰椎的按壓也繼續對腰椎起到按摩作用。

圖7 彎腰時人體受力分析

4 試用體驗

經過數十人穿戴體驗，反饋如下：1）曾經歷過腰椎間盤突出癥的患者，佩戴后感覺腰部舒服，上肢挺拔，彎腰時可感受到明顯助力；2）正在患腰椎間盤突出癥而不能進行日常上肢活動的患者，佩戴后不但能彎曲上肢，且因裝置的牽引治療作用，可縮短康復時間；3）腰肌勞損患者，佩戴后彎腰時明顯減輕腰部受力，活動比不佩戴（更）自如；4）頻繁彎腰的體力勞動者，佩戴裝置后彎腰負擔減輕；5）中醫康復科醫生體驗后，認為該裝置可用于腦卒中偏癱患者手及上肢功能康復訓練的輔助支撐；6）上述用戶體驗的共同缺點是：佩戴時腋托使腋下受到擠壓，長時間佩戴會妨礙血液流通。

5 輔助治療機理

腰椎間盤的結構如圖8所示，圖8（a）中①為健康腰椎中纖維環、髓核與脊髓神經的位置關系。隨著纖維環的退變及腰椎的使用不當，纖維環從薄弱處破裂，髓核從破裂處伸到后方的椎管內，經過此處的神經即受到壓迫，腰椎間盤組織呈現為圖8（a）中②的樣子，圖8（b）是從側面角度呈現的神經受擠壓的情況。神經受到壓迫后，腰部、腿部等神經所到達的部位均會感受到疼痛和功能受限。治療腰椎突出的方法之一，是鼓勵患者盡早恢復適度的日常運動。運動過程產生的脊柱動力載荷可促進營養物質的彌散，影響椎間盤基質代謝，減緩基質退變，運動療法可緩解疼痛并改善功能[1]130。另外，牽引療法是常見的腰椎疾病康復方法之一，將腰椎沿縱向拉開，釋放對神經的壓迫，能減輕疼痛癥狀，使患者盡早恢復日常活動。

圖8 腰椎間盤突出癥狀機理

由此可見適度運動對腰椎患者的康復起到積極的治療作用，而佩戴本裝置可使各類患者早日進行運動練習，同時又能利用裝置產生的牽引作用治療腰椎，達到雙倍的治療效果。

6 樣機及佩戴實況

樣機及佩戴實況如圖9、圖10所示。

7 結語

本裝置通過托扶上身實現彎腰助力，原理新穎，方法可靠；隨著人體彎腰運動實現增壓，不需要額外的動力即可滿足支撐力的需要，且能根據佩戴者體質情況方便地調節支撐力大小。適用于腰椎間盤突出癥急性發作期及康復期患者、腰肌勞損和頻繁彎腰重體力勞動者，也可作為腦卒中偏癱患者手及上肢功能康復訓練的輔助支撐。它結構簡單、輕巧靈便、價格低廉、佩戴和調整方便。腋托對腋窩部位的壓力，可通過更換腋托材質和結構來改善受力分布，提高佩戴舒適度。目前市場上尚無同功能產品，本裝置具有廣闊的市場前景。