柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備的設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)

劉星雨 薛 濤 林穎蕾 王 巖 張婷婷 魏志偉

西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710000

世界人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示:2021年全球65歲及以上人口為7.61億;到21世紀(jì)中葉,全球65歲及以上人口數(shù)量預(yù)計(jì)將增加一倍以上,其中80歲及以上的人口增長(zhǎng)速度更快[1-2]。我國(guó)60歲及以上老年人口占比將從2020年的18.7%增加至2035年的30.3%,2050年將進(jìn)一步提高至38.8%。我國(guó)人口結(jié)構(gòu)正面臨老齡化逐年增長(zhǎng)的問題,同時(shí)各種災(zāi)害和疾病導(dǎo)致下肢殘疾的人數(shù)也在逐年增加,許多老年人面臨殘疾及其他各種疾病的困擾[3]。其中,中風(fēng)是導(dǎo)致長(zhǎng)期殘疾的主要原因之一。全世界有超過3 300萬的中風(fēng)幸存者[4]。盡管他們進(jìn)行了廣泛的治療,但80%以上的中風(fēng)幸存者仍存在殘留的步態(tài)障礙[5],如非對(duì)稱步態(tài)、踝關(guān)節(jié)跖背屈能力弱、膝關(guān)節(jié)支撐穩(wěn)定性差等。若不及時(shí)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,則這些障礙會(huì)影響身體活動(dòng),降低生活質(zhì)量,增加二次中風(fēng)和死亡的風(fēng)險(xiǎn)。臨床醫(yī)學(xué)研究證明,對(duì)肢體進(jìn)行科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練能夠恢復(fù)和提高運(yùn)動(dòng)能力[6]。例如,下肢受損患者穿戴柔性下肢助力設(shè)備進(jìn)行一定周期的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練后,可在外力的輔助下實(shí)現(xiàn)正常行走[7]。

近年來,柔性下肢康復(fù)設(shè)備以其舒適、輕便、安全、高效等特點(diǎn)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。穿戴式柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備也因此得到了快速發(fā)展[8]。哈佛大學(xué)就研制出了一款利用柔性氣壓驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人——Soft Exosuit。該設(shè)備以織物帶和鮑登線連接人體的腰部和腿部,從而驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)彎曲和踝關(guān)節(jié)跖屈,輔助人體站立且無需外部的支撐[9-11]。Yandell團(tuán)隊(duì)也設(shè)計(jì)了一款與Soft Exosuit類似的無動(dòng)力踝關(guān)節(jié)外骨骼,其能在不需要單獨(dú)的電源及外力的條件下,通過足下離合器,為穿戴者提供跖屈的輔助力[12]。北京航空航天大學(xué)研制的繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)外骨骼利用一對(duì)單電機(jī),實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩側(cè)踝關(guān)節(jié)跖屈和背屈雙向運(yùn)動(dòng)的分別控制[13]。西北機(jī)電工程研究所制作的一款穿戴式柔性踝關(guān)節(jié)助力服,可基于電機(jī)、減速器、布帶和輪盤的配合將電機(jī)產(chǎn)生的力傳遞到踝關(guān)節(jié)處,同時(shí)還能增加對(duì)腿部其他肌肉的輔助作用[14-15]。

本文基于老年人及步態(tài)障礙患者的需求,在研究市面現(xiàn)有踝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,從人體康復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)理的角度出發(fā)[16],應(yīng)用柔性紡織材料對(duì)柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),并從穿著舒適性及對(duì)人體的助力效果方面進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為可穿戴柔性助力設(shè)備的研發(fā)提供一定的參考。

1 柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 材料的選取

選取3種不同的面料,具體如圖1所示。其中,A#和B#為滌綸面料,它們具有良好的透氣性能和力學(xué)性能,用于助力設(shè)備的內(nèi)襯;C#為經(jīng)編間隔織物面料,其中間連接的間隔絲具有一定的抗壓性能[17],可增加助力設(shè)備主體的抗壓彈性,達(dá)到更好的支撐效果。

圖1 柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備用面料

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備正常使用的前提是具有良好的結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則:(1)適用性好,助力設(shè)備可調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同體型的穿戴者;(2)采用柔性紡織品,以盡可能地貼合人體下肢曲線,確保對(duì)力的傳遞,以及穿戴舒適、靈活;(3)質(zhì)量小,便于攜帶與穿戴。

1.2.2 原型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備用于踝關(guān)節(jié)受損后的肢體,其能為踝關(guān)節(jié)活動(dòng)提供助力。助力設(shè)備的組件佩戴在小腿部和鞋的遠(yuǎn)端,主要有小腿主體環(huán)帶、上下固定帶和彈力帶等。小腿主體環(huán)帶結(jié)構(gòu)應(yīng)與人體小腿部位的廓形相一致,符合人體結(jié)構(gòu),對(duì)穿戴者腿部提供一定的支撐作用,其與彈力帶相連接,可實(shí)現(xiàn)更好的助力效果。固定帶上附有魔術(shù)貼帶,可調(diào)節(jié)人體與助力設(shè)備之間的貼合度和舒適度。

根據(jù)人體下肢骨骼肌組織的分布及人體生物力學(xué)的特征,本文在人體與服裝關(guān)系的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。原型設(shè)計(jì)尺寸如表1所示。

表1 穿戴式柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備原型尺寸設(shè)計(jì)

穿戴式柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備主體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 穿戴式柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備主體結(jié)構(gòu)示意

1.3 原型的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)助力設(shè)備原型尺寸和版式設(shè)計(jì)進(jìn)行制作。首先,確定該設(shè)備主要面料為A#,包邊面料為B#;接著,確定主體部分采用A#+C#+A#的夾心結(jié)構(gòu);最后,利用立體裁剪和平面裁剪相結(jié)合的制作工藝,使用高速單針平縫縫紉機(jī)DDL-8700進(jìn)行縫制,所得實(shí)物效果如圖3所示。

圖3 實(shí)物效果圖

2 試驗(yàn)部分

2.1 測(cè)試樣品

本試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象為1.3節(jié)制作的柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備。

2.2 受試者

本次試驗(yàn)共招募16名受試者,其中男性10名、女性6名,年齡在(25±3)歲,體質(zhì)量在(66±25)kg,身高在(171±15)cm。試驗(yàn)開始前,先測(cè)量受試者的各項(xiàng)身體指標(biāo),具體信息如表2所示。所有受試者均身體健康,無關(guān)節(jié)、骨骼或韌帶受傷病史,試驗(yàn)前皆熟悉試驗(yàn)流程和試驗(yàn)方法,且均自愿參與測(cè)試。受試者在試驗(yàn)前均簽署了書面知情同意書。

表2 受試者各項(xiàng)身體指標(biāo)信息

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

心率測(cè)試采用芬蘭Polar Electro Oy公司的傳感器胸帶設(shè)備Polar H10。該設(shè)備能以高精度實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)過程中的心率數(shù)據(jù),并通過藍(lán)牙和ANT+將心率傳輸給各種訓(xùn)練裝置。Polar H10在休息和體育鍛煉條件下正確評(píng)估RR間期(即心跳間隔時(shí)間)的有效性已被證實(shí)。試驗(yàn)將在億健V900型多功能跑步機(jī)上進(jìn)行。

2.4 主觀舒適性評(píng)價(jià)

在溫度為(23±2)℃、相對(duì)濕度為(50±5)%的室內(nèi)條件下,受試者穿戴柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備進(jìn)行主觀舒適性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)基于李克特量表進(jìn)行,共分7個(gè)等級(jí),所涉及的主觀舒適性評(píng)價(jià)項(xiàng)目及術(shù)語描述如表3所示,評(píng)價(jià)等級(jí)設(shè)計(jì)見表4。試驗(yàn)開始前,先向受試者詳細(xì)解釋評(píng)價(jià)方法,確保受試者能夠準(zhǔn)確理解術(shù)語的含義。受試者穿戴柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備在億健V900型多功能跑步機(jī)上以自然站立的狀態(tài),按4.0 km/h及7.5 km/h的速度進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后,受試者根據(jù)自身的感受選擇相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)。

表3 主觀舒適性評(píng)價(jià)項(xiàng)目及術(shù)語描述

表4 主觀評(píng)價(jià)等級(jí)設(shè)計(jì)

2.5 客觀助力效果評(píng)價(jià)

通過對(duì)比和分析步行和跑步狀態(tài)下有無柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備時(shí)的心率變化,評(píng)估助力設(shè)備的客觀助力效果。

心率測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。受試者在熟知試驗(yàn)流程后,先在室內(nèi)靜坐10 min,以達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài),再將Polar H10心率帶佩戴在胸部并調(diào)整至舒適位置。試驗(yàn)開始后,受試者分別在4.0 km/h和7.5 km/h的運(yùn)動(dòng)速度下,各進(jìn)行3 min的心率監(jiān)測(cè)。且為消除運(yùn)動(dòng)疲勞帶來的誤差,每位受試者在每組試驗(yàn)之間都需要休息10 min以上,以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)果與討論

3.1 主觀舒適性分析

非參數(shù)Kendall協(xié)同系數(shù)W檢驗(yàn)法是對(duì)多個(gè)相關(guān)樣本進(jìn)行檢驗(yàn)的一種方法,其經(jīng)常用于檢驗(yàn)主觀評(píng)價(jià)者之間評(píng)分是否具有一致性。本文為了驗(yàn)證評(píng)價(jià)者評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性,對(duì)3種不同狀態(tài)的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗(yàn)。當(dāng)顯著性水平p<0.05時(shí),表示受試者之間的評(píng)價(jià)結(jié)果有一致性。Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出,3種不同狀態(tài)的Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)出顯著性(p=0.000<0.05),這意味著16位受試者的評(píng)價(jià)具有關(guān)聯(lián)性,說明評(píng)價(jià)結(jié)果具有一致性。

根據(jù)表4所列的7級(jí)評(píng)價(jià)量表,將受試者在試驗(yàn)中的主觀感受數(shù)字化。使用SPSS 26.0軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見表6,各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的平均評(píng)價(jià)等級(jí)折線見圖4。

表6 不同狀態(tài)下主觀感受描述性統(tǒng)計(jì)分析

圖4 不同狀態(tài)下各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的平均評(píng)價(jià)等級(jí)折線

從表6和圖4可以看出:3種狀態(tài)下,各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的平均感覺趨勢(shì)相同,評(píng)價(jià)等級(jí)都不超過4級(jí)即滿意度均在較滿意以上。在所有受試者的主觀感受平均評(píng)價(jià)等級(jí)中,自然站立狀態(tài)下的受試者評(píng)價(jià)等級(jí)整體相對(duì)最小即滿意度最高;運(yùn)動(dòng)時(shí)腿部肌肉繃緊,受試者對(duì)穿戴的助力設(shè)備感覺更明顯,所以運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的受試者主觀舒適性不及自然站立狀態(tài)下的受試者主觀舒適性;隨著運(yùn)動(dòng)劇烈程度的增加,體力消耗變大,受試者在速度為7.5 km/h狀態(tài)下對(duì)助力設(shè)備的各項(xiàng)評(píng)價(jià)等級(jí)普遍提高,即滿意度均有所降低。

由圖4還可知,3種不同狀態(tài)下,滑脫感和重量感明顯優(yōu)于束縛感、壓迫感和柔軟感。其中,柔軟感較差是滌綸織物力學(xué)強(qiáng)度較高、舒適性不足所致;為了運(yùn)動(dòng)過程中助力設(shè)備能足夠貼合,將助力設(shè)備穿戴過緊,會(huì)導(dǎo)致束縛感和壓迫感較強(qiáng),滑脫感較弱。由此可見,在日常生活中,適當(dāng)放松助力設(shè)備可獲得更加舒適的穿戴感。

3.2 客觀助力效果分析

在4.0 km/h和7.5 km/h的運(yùn)動(dòng)速度下,受試者穿戴和未穿戴柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備時(shí)的心率數(shù)據(jù)如表7和圖5所示。

表7 穿戴和未穿戴助力設(shè)備時(shí)的心率統(tǒng)計(jì)

圖5 心率變化圖

由表7和圖5可以清楚地看出:(1)在4.0 km/h和7.5 km/h的運(yùn)動(dòng)速度下,受試者穿戴柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備時(shí)的心率均低于未穿戴柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備時(shí)的心率,穿戴柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備時(shí)的平均心率較未穿戴柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備時(shí)的平均心率分別降低了2.79%和4.60%。(2)相較于4.0 km/h的運(yùn)動(dòng)速度下穿戴和不穿戴助力設(shè)備時(shí)的心率,7.5 km/h的運(yùn)動(dòng)速度下穿戴助力設(shè)備的心率明顯低于未穿戴助力設(shè)備時(shí)的心率,說明運(yùn)動(dòng)越劇烈,助力設(shè)備對(duì)受試者心率的影響越明顯,對(duì)穿戴者的助力效果越大。穿戴柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備有利于控制穿戴者心率的增長(zhǎng),具有一定的助力效果。

對(duì)不同運(yùn)動(dòng)速度下穿戴和未穿戴助力設(shè)備的心率數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析,結(jié)果如表8所示。

表8 配對(duì)樣本 t 檢驗(yàn)分析結(jié)果

從表8可以看出,在2種不同的運(yùn)動(dòng)速度下,未穿戴和穿戴助力設(shè)備均呈現(xiàn)出0.01水平的顯著差異性。進(jìn)一步比較其平均值差值發(fā)現(xiàn),7.5 km/h時(shí)的平均值差值(7.19 次/min)明顯高于4.0 km/h時(shí)的平均值差值(2.97 次/min),說明隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加,該設(shè)備對(duì)人體心率的影響越明顯,對(duì)穿戴者的助力效果越好。

4 結(jié)語

柔性下肢助力設(shè)備作為一種柔軟、輕便、便攜的可穿戴設(shè)備,可為老齡化人群及受傷患者提供康復(fù)與助力作用,具有很大的應(yīng)用前景。本文采用柔性紡織材料設(shè)計(jì)了一款可穿戴柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了踝關(guān)節(jié)背屈輔助。助力設(shè)備采用3種不同的紡織材料制成,且這些材料都具有柔軟性、適應(yīng)性和輕量性。相比傳統(tǒng)的剛性材料,紡織材料可賦予助力設(shè)備更好的柔性,使助力設(shè)備在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下更貼合人體。設(shè)計(jì)中還充分考慮了不同使用者的個(gè)體差異,通過調(diào)整材料緊度實(shí)現(xiàn)個(gè)性化需求,使其能更好地適應(yīng)用戶的踝關(guān)節(jié),提供更舒適的穿戴體驗(yàn)。

本文通過穿戴測(cè)試,從主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩方面驗(yàn)證了該助力設(shè)備的穿著舒適性和助力輔助效果。結(jié)果表明,對(duì)于在平坦地面行走或跑步的受試者,彈性驅(qū)動(dòng)的柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)可提供踝關(guān)節(jié)背屈的運(yùn)動(dòng)輔助;(2)增加到穿戴者腿部的額外負(fù)重較小,使用者沒有太多額外的負(fù)擔(dān);(3)日常活動(dòng)中,穿戴助力設(shè)備的心率低于未穿戴助力設(shè)備的,且活動(dòng)越劇烈,心率差別越明顯,助力設(shè)備能提供一定的助力和安全保障。

未來,將進(jìn)一步優(yōu)化柔性服裝的結(jié)構(gòu),使其產(chǎn)生更好的效果。特別是優(yōu)化紡織組件設(shè)計(jì);對(duì)柔性設(shè)備的總體彈性或剛性進(jìn)行加強(qiáng),優(yōu)化柔性設(shè)備的疲勞性;設(shè)計(jì)中增加與需求相關(guān)的更多的定量化指標(biāo),為穿戴者提供更好的輔助調(diào)節(jié);對(duì)柔性踝關(guān)節(jié)助力設(shè)備展開更廣泛的人體穿戴測(cè)試,更多地證明其在中風(fēng)患者中的應(yīng)用潛力。