基于TRIZ和ANSYS的老年人外骨骼助行器足底踏板設(shè)計(jì)

鄭 昊，李 婕，王 睿，張思睿，崔志強(qiáng),趙 瑋

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校 a.電氣與電子工程系；b.機(jī)械工程系，河北 承德 067000；2.湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430068)

外骨骼式老年人助行器是一種生物-機(jī)械-電子裝置，穿戴在老年人腿上可以幫助老年人重新站立行走，恢復(fù)運(yùn)動能力和生活能力，促進(jìn)血液循環(huán)，防止肌肉萎縮。人體助力外骨骼主要分為強(qiáng)化助動外骨骼和被動牽引外骨骼。國內(nèi)外的外骨骼技術(shù)已發(fā)展到一定階段，美國和日本起步較早。目前的外骨骼式助行器主要是靠安裝于髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)處的電機(jī)驅(qū)動做屈伸運(yùn)動，從而幫助人們完成行走動作，需靠電池提供動力，而踝關(guān)節(jié)則是被動結(jié)構(gòu)或只有一個自由度。其主要針對人群為下肢障礙的殘疾人，目的是輔助其矯正步態(tài)直至獨(dú)立行走。在外骨骼助行器的發(fā)展中，研究者們通常注重通過改變結(jié)構(gòu)、傳感器布置、驅(qū)動方式以及控制策略來達(dá)到腿部屈伸的動力實(shí)現(xiàn)，忽略了老年人這一特殊人群的生理特點(diǎn)。專為老年人設(shè)計(jì)的外骨骼式助行器少之又少，如韓國西江大學(xué)的外骨骼機(jī)器人、日本東北大學(xué)研制的Wearable Walking Helper、日本立命館大學(xué)研發(fā)的eXoskeleton Robot還有中國江蘇南通大學(xué)陳峰副教授設(shè)計(jì)的Walking Power Assist Leg專門提到了老年人這個受眾群體。正是由于老年人身體狀況特殊，更需要專門為其提供適于他們使用的外骨骼助行器。針對以上問題，在對老年人行走問題進(jìn)行分析后，對被動牽引外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行再思考，提出了一種可減輕老年人穿戴助行器運(yùn)動時足部疲勞的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使外骨骼式助行器更加符合老年人的需求。

1 問題分析

1.1 老年人運(yùn)動機(jī)能變化

肌力流失和肌肉疲勞會導(dǎo)致老年人運(yùn)動機(jī)能變化，研究顯示，40歲后肌肉質(zhì)量平均每十年降低5%，65歲后流失速度加快。

1.2 老年人運(yùn)動特征

陳勇[1]等人利用Motion Analysis三維動作捕捉分析系統(tǒng)記錄步態(tài)數(shù)據(jù)，并用SPSS19.0軟件分析測試對象的步態(tài)參數(shù)，得出：不論男性女性，隨年齡增長，下肢功能下降，腳掌著地動作緩慢，步長縮短，步態(tài)周期增大，單足支撐時間增長，增加了老年人足部疲勞度。

1.3 老年人足部特征

老年人足部易發(fā)生形變，主要為前掌和足弓形變，大多數(shù)老年人足弓部位下塌，觸地面積增大，沖量顯著增加，小腿肌群參與活動單位數(shù)量較年輕人多，耗能多，小腿易產(chǎn)生疲勞，傳遞到足部的力量減少，導(dǎo)致足部易疲勞，更有甚者會產(chǎn)生足部疼痛，這對老年人的流動性和健康狀況有顯著的不利影響[2]。

綜上所述，老年人與殘疾人的病理不同，影響其正常走路的主要原因在足部。腳是高度專業(yè)化的，受體分布主要是在腳與地面接觸的部分，結(jié)構(gòu)/位置的變化會影響功能，而目前所有的外骨骼式助行器在設(shè)計(jì)時都忽略了足底踏板的人機(jī)工程學(xué)，不能真正的解決老年人行走的問題，從老年人運(yùn)動功能衰減的根本原因入手，應(yīng)著力于改善老年人足部疲勞度[3]。

2 老年人助行器理想方案的獲取

2.1 IFR最終理想解

IFR是科學(xué)研究中的創(chuàng)造性思維方法，在解決問題初期，忽略所有客觀的限制條件，理想化定義問題，從而得到最終理想解，它是TRIZ理論的經(jīng)典理論體系之一，也是TRIZ的終極目標(biāo)。用IFR來分析問題，會得到截然不同的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案[4]。

2.2 老年人助行器設(shè)計(jì)中IFR的確定

按照IFR分析和解決的6個步驟獲取理想解決方案。1)設(shè)計(jì)的最終目的：使外骨骼式助行器更好的為老年人進(jìn)行服務(wù)。2)IFR：得到符合老年人體需求的外骨骼式助行器。3)達(dá)到IFR的障礙：老年人體特征，足部變化，下肢肌肉障礙，無力支配雙腿。4)出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果：足部易疲勞，失衡。5)不出現(xiàn)這種障礙的條件：有一個合理的結(jié)構(gòu)可與老年人足部耦合，彌補(bǔ)老年人足部形變，提供合理的足部物理支撐，從而改善老年人行走時足部的受力。6)創(chuàng)造無障礙條件的可用資源：老年人助行器足底踏板的結(jié)構(gòu)、老年人。

解決方案：對傳統(tǒng)的外骨骼助行器的足部踏板進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使老年人在行走過程中足部與足底踏板相耦合，足底受到合理的力度支撐，前行時，足部的疲勞度得到改善。這里解決問題的資源是老年人助行器足底踏板的結(jié)構(gòu)。TRIZ理論的目標(biāo)是完全解決沖突，獲得IFR，當(dāng)前老年人助行器存在的主要沖突是技術(shù)沖突。

2.3 技術(shù)沖突的解決方式

查詢通用技術(shù)參數(shù)，分析可得技術(shù)系統(tǒng)中“應(yīng)力/壓力”和“形狀”構(gòu)成一對技術(shù)沖突。傳統(tǒng)的老年人助行器的足部踏板形狀簡單但惡化了接觸部位的應(yīng)力/壓力。利用沖突矩陣，并應(yīng)用增加不對稱性原理，得到最終解決方案：通過增強(qiáng)不對稱物體的不對稱度實(shí)現(xiàn)應(yīng)力/壓力改善。

2.4 外骨骼式老年人助行器方案

人體足弓正常狀態(tài)下步行運(yùn)動時，承擔(dān)重量的主要是跟骨、第1、5跖骨及拇指趾骨，足弓吸收部分壓力，保持身體平衡。通過足底壓力結(jié)果分析可得，老年人由于足部發(fā)生形變，拇指部位壓力減小，前掌第2、3跖骨部位峰值壓力過大，足外側(cè)壓力增大，足部受力不平衡，易跌倒[5]。足底壓力分區(qū)如圖1所示。

外骨骼技術(shù)在老年人輔助行走裝置中的應(yīng)用使老年人肌肉活力得到改善，可提高老年人自理能力，其機(jī)械設(shè)計(jì)須匹配老人下肢特點(diǎn)，從而提高老年人在穿戴過程中的舒適性。新型的外骨骼式老年人助行器在保證整體強(qiáng)度牢固性的前提下，將傳統(tǒng)外骨骼式助行器的設(shè)計(jì)中加入了人機(jī)工程設(shè)計(jì)思想，足底踏板的設(shè)計(jì)不僅對人體足部產(chǎn)生有效的物理支撐，同時減少了對膝關(guān)節(jié)的損害，緩解了老年人在穿戴外骨骼式助行器行走過程中的足部疲勞度[6]。

經(jīng)調(diào)查結(jié)果顯示，老年人扁平足占比89%，老年男性拇趾外翻0～15°占比47%，老年男性腳長255 mm占比最大，拇趾外突點(diǎn)長232 mm左右，第5腳趾端點(diǎn)長214 mm左右，第5腳趾突點(diǎn)長200 mm左右，第1跖趾突點(diǎn)長183 mm左右，第5跖趾突出點(diǎn)長163 mm左右，跗骨突點(diǎn)長132 mm左右，踵心部位長46 mm左右,基本寬度為104 mm左右，跖趾直寬94 mm左右，第1跖趾里段寬48 mm左右，第5跖趾外段寬55 mm左右，腰窩外段寬46 mm左右，踵心部位全寬 71 mm 左右[7]。根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制足部輪廓線如圖2所示。

比較建模法提出用Rhino軟件進(jìn)行足板建模，優(yōu)勢在于能夠很流暢且方便的捕捉到關(guān)鍵點(diǎn)，以及對線進(jìn)行編輯[8]。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，應(yīng)用Rhino軟件建立足底踏板結(jié)構(gòu)模型。得到：

方案一：使可承受壓力的部分受力，如圖3所示。

方案二：使承受壓力弱的部分分?jǐn)傄徊糠至?，如圖4所示。

3 外骨骼式老年人助行器人機(jī)仿真

ANSYS Workbench是對ANSYS經(jīng)典版的繼承和發(fā)展，作為通用的計(jì)算輔助軟件，計(jì)算精度獲得了相關(guān)領(lǐng)域的認(rèn)可，具有集成度高、易操作等優(yōu)點(diǎn)[9]。對方案一、二兩種優(yōu)化改進(jìn)方案進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到老年人助行器足底踏板結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力分布云圖，對比分析，確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案。

3.1 導(dǎo)入模型

啟動ANSYS Workbench軟件將建立好的Rhino三維模型導(dǎo)入到Static Structural環(huán)境下，默認(rèn)材料為結(jié)構(gòu)鋼[10]。

3.2 劃分網(wǎng)格

在ANSYS Workbench軟件中的Model工具模塊中，全部選中先前導(dǎo)入的足底踏板結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格尺寸控制為60，其他參數(shù)保持不變，生成網(wǎng)格，如圖5所示。

3.3 施加約束與載荷

選擇足底踏板的底面作為固定端，另一端作為自由端施加載荷。和地面接觸部分可看做固定不動，與足部接觸的一面受到人自身重量的作用，設(shè)置施加載荷618 N。

3.4 添加求解項(xiàng)并求解

進(jìn)入ANSYS Workbench下的Solution模塊，選擇正應(yīng)力(Normal)計(jì)算模塊，對足底踏板結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，正應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)應(yīng)力云圖分析得出，方案一較方案二更加理想。通過改變足部踏板的結(jié)構(gòu)來均勻分擔(dān)足部的壓力，能夠有效緩解足部應(yīng)力集中現(xiàn)象，可提高老年人對下肢運(yùn)動體驗(yàn)的滿意度，從而提高他們的運(yùn)動性能。

4 結(jié)語

外骨骼足底踏板的設(shè)計(jì)符合老年人體需求，可改善老年人行走時的足部疲勞度，方便老年人對于外骨骼助行器裝置的使用，使老年人運(yùn)動更加健康。由于研究區(qū)域有限，還有很多方面需要更深入的探析，后續(xù)研究可從其他不同結(jié)構(gòu)或不同凹凸系數(shù)的相同結(jié)構(gòu)展開。