穿戴式下肢復(fù)健輔助行走裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

陳虹宇

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院電子工程系，四川 成都 611731）

腦卒中偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練的主要目標是提升其步行能力。步行功能障礙往往是降低腦卒中患者生活質(zhì)量的主要因素。因此，近年來，許多醫(yī)療設(shè)備研發(fā)機構(gòu)對于如何開發(fā)能夠提升腦卒中偏癱患者步行能力的設(shè)備做了大量研究，并取得了一定的成果。文獻[7]針對下肢外骨骼的行走過程研究中，采用了擺動模式的動態(tài)識別裝置。在符合人體工學(xué)的基礎(chǔ)上建立動力學(xué)模型，使腦卒中偏癱患者不僅可獲得行走輔助訓(xùn)練，還能讓下肢肌肉在輔助行走的時候正確施力，避免腦卒中偏癱因無法正確行走而導(dǎo)致肌肉畸態(tài)施力。臨床研究表明，異常的運動模式對于人體運動的穩(wěn)定性、安全性都會造成不利的影響。故有必要設(shè)計一種符合人機工程學(xué)的步行訓(xùn)練機構(gòu)。因此，本文結(jié)合文獻[10]的研究結(jié)論，設(shè)計并優(yōu)化了一種減重式輔助穿戴式下肢復(fù)健輔助行走裝置助行機器：為確?；颊呤褂脮r保持行走的正確姿勢，在設(shè)計中運動過程的時候充分考慮患者使用產(chǎn)品時的安全性和舒適性，從而在運動康復(fù)訓(xùn)練中獲得安全健康且舒適的效果，

1 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

在不同的條件下，助力下肢外骨骼的運動學(xué)模型也是不相同的。因此，為解決該問題，采取了穿戴式復(fù)健方法，通過固定于大腿外部的大腿外骨骼，固定于小腿外部上的小腿外骨骼兩部分傳動裝置，在中控電機帶動下，可通過護腰上的吊帶支撐一部分身體重量，整體系統(tǒng)實現(xiàn)輔助患者安全的進行康復(fù)運動訓(xùn)練。所設(shè)計的護腰通過束帶安裝在訓(xùn)練者腰部外側(cè)，并且內(nèi)徑可調(diào)。大腿通過安裝腿部外骨骼的方式實現(xiàn)支撐受力，將連續(xù)圓周向上支撐力作用于大腿的外骨骼部分，達到在行走中實現(xiàn)抬腿運動的目的；膝彎處連接護膝，通過另一部伺服電機的控制抬動小腿向前或后的圓周擺動，進而使小腿外骨骼部分實現(xiàn)向前邁步功能；作為向前支撐人體行走時的動力來源，通過腰部護腰上伺服電機與大腿頂端梅花連軸器相連，并通過向上拉吊帶支撐人體，向下作用于訓(xùn)練者肩點，再通過腳底踩壓彈簧的設(shè)計，使整個機械結(jié)構(gòu)克服了死點位置。應(yīng)用中控電機預(yù)設(shè)程序，在準備開始進行康復(fù)訓(xùn)練時就完成腰部起吊減重，一臺伺服電機抬大腿部支撐減重且控制運動方向、一臺伺服電機抬小腿部支撐減重且控制步幅的模式并模塊化的設(shè)計，可以針對下肢有多個部位受損的患者使用。根據(jù)上述思路，下肢康復(fù)助行器的三維模型如圖1 所示。

2 行走裝置 結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

由圖1 所示的可知，行走裝置護腰結(jié)構(gòu)上的伺服電機和大小腿部外骨骼相連處的伺服電機為系統(tǒng)關(guān)鍵傳動結(jié)構(gòu)，而其中大腿外骨骼最重要的承載部件，沿上方大腿外骨骼承受的是護腰結(jié)構(gòu)上的來自伺服電機運行的扭矩，再由傳動通過能量傳動，其沿向下的方向承載小腿外骨骼的輸出扭矩，從而帶動患者進行抬腿作用。同時，因為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量很輕，即使經(jīng)過簡化分析，對系統(tǒng)整體的受力而言，影響微乎其微，可以忽略，因此，系統(tǒng)可以進行適當簡化。

根據(jù)人機工程學(xué)原理，本文中給定設(shè)計極限的額定參考數(shù)值，參數(shù)選擇按照人體尺寸標準數(shù)據(jù)和成年人人體慣量參數(shù)設(shè)計機械結(jié)構(gòu)最大承重載荷為100kg，使用高度不大于1.9m。為增大評估準確系數(shù)，將結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)放大并理想化為最大受力值980N，腿部外骨骼的材料擬確定為45#鋼，其屈服極限為335MPa。將建立的三維立體結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入有限元分析軟件中進行有限元分析，為確保計算的精度，材料的選擇與腿部外骨骼材料一致，均為45#鋼。通過軟件計算輸入?yún)?shù)后，有限元分析結(jié)果如圖2 所示。該計算結(jié)果中，最大應(yīng)變?yōu)?.725e-004，最大位移為7.189e+000mm，最大屈服準則為5.300e+008N/M^2，因此，該設(shè)計方案基本能夠確保系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及有限元分析

根據(jù)行走機構(gòu)的有限元分析結(jié)果可知，機構(gòu)基本能保證患者使用時的安全性。再下一步的優(yōu)化設(shè)計中，從產(chǎn)品安裝、運輸便利等因素考慮，優(yōu)化設(shè)計時，將原方案的焊接關(guān)系配合修改為栓接關(guān)系，并在大腿外骨骼結(jié)構(gòu)上打一個減重孔，各部分管件的材質(zhì)及受力情況保持不變。通過軟件計算輸入?yún)?shù)后，有限元分析結(jié)果如圖3 所示。

圖1 行走裝置三維模型

圖2 電機安裝結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

圖3 大腿支撐件安裝結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

在不影響機構(gòu)安全性的前提下進行有限元分析，整理有限元分析優(yōu)化結(jié)果得出的數(shù)據(jù)結(jié)果整理得表1。

表1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化分析結(jié)果

在最初的設(shè)計方案中，大腿外骨骼質(zhì)量過于輕便（1.017kg），明顯不符合器材本身所需的安全性能，從材料上針對性的更變：鎂合金改為45 號鋼。改進后的方案大腿外骨骼質(zhì)量適中（7.825kg），從參數(shù)分析該方案滿足了患者使用器材時所需的安全性要求。在最初的設(shè)計方案中，整體結(jié)構(gòu)用焊接結(jié)構(gòu)，但從生產(chǎn)和運輸考慮方面考慮，顯然造價太高且不利于運輸，將整體結(jié)構(gòu)的連接方式從焊接改為栓接，此時，整體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量略大（8.064kg）。因此，對系統(tǒng)進行的優(yōu)化設(shè)計，同時，考慮舒適性等問題，在確定為栓接結(jié)構(gòu)的前提下，先將材料變更為6061 鋁和45 號鋼搭配使用，從優(yōu)化方案的結(jié)果來看，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量較之前者有所減小（7.691kg）。最后，再按照最大允許形變位移和許用應(yīng)力進行調(diào)整，且打了減重孔后更加方便運輸，故從強度、重量以及運輸性能等方面來看，優(yōu)化設(shè)計方案均優(yōu)于原方案。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一套可以穿戴得減重式下肢復(fù)健輔助行走的裝置，對機械結(jié)構(gòu)進行了力學(xué)分析，并用對該結(jié)構(gòu)進行了強度分析，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果開展進一步優(yōu)化設(shè)計，達到了預(yù)期目的。輔助使用者實現(xiàn)對標健康人體運動軌跡運動的健康運動模式，保證患者在使用器材安全舒適時完成健康的行走訓(xùn)練。本文設(shè)計的實用新型設(shè)備具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用簡單，便于運輸，益于市場推廣等優(yōu)點。