氣壓輔助腰部助力裝置設(shè)計(jì)

李文燕，雷玲，曹飛

（西安明德理工學(xué)院，西安 710124）

0 引言

大量的老年人腰部骨骼老化活動(dòng)不便；建筑工人或室外重體力勞動(dòng)者，彎腰活動(dòng)頻繁且強(qiáng)度大，腰肌勞損遠(yuǎn)超常人，常引發(fā)腰椎疾??；腰椎間盤突出患者更是中老年人群、多年伏案工作者的?；技膊?。腰部疾患給患者帶來極大的痛苦，甚至導(dǎo)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(hù)理腰帶、康復(fù)鍛煉等，以及針對重癥患者的手術(shù)治療、牽引療法、佩戴限制腰部活動(dòng)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(fā)病期或剛剛進(jìn)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(dòng)又可減輕疼痛?？紤]到腰疾患者在彎腰時(shí)，如果有人將其攙扶一把，將助其減輕疼痛，腰部助力器的設(shè)計(jì)正是受到此現(xiàn)象啟發(fā)，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(hù)腰肌，牽引腰椎，對患者起到治療作用。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

本產(chǎn)品由皮帶、氣缸組件、腋托等3部分組成（如圖1）。穿戴時(shí)，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(chǎn)品組成

圖2 穿戴后人體正面示意圖

圖3 穿戴后人體側(cè)面示意圖

1.2 工作原理

本產(chǎn)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(cè)腋下，向下彎腰時(shí)，氣缸內(nèi)的支撐力將人的上身向上托扶起，減輕穿戴者的彎腰負(fù)擔(dān)，同時(shí)人體的部分質(zhì)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(jìn)一步增加腰部舒適度。

氣缸內(nèi)支撐力可通過彎腰動(dòng)作自動(dòng)循環(huán)增加。如圖4所示，當(dāng)活塞上行時(shí)，氣缸上腔內(nèi)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(shí)，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(shí)，重復(fù)上述過程，使氣缸下腔壓力不斷增加，托舉力隨之增大。當(dāng)達(dá)到人體所需最大托舉力時(shí)，多余的氣體便可通過泄氣閥排出。調(diào)節(jié)泄氣閥出口壓力，可獲得合適的最大托舉力?；钊h(huán)數(shù)次后，氣缸上腔內(nèi)氣體稀少，此時(shí)可通過上腔出口處的單向閥向缸內(nèi)補(bǔ)充空氣。

圖4 氣缸托舉原理圖

2 氣缸支撐力計(jì)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(zhì)量為60×0.4×9.8=235 N。

本助力器設(shè)計(jì)為彎腰時(shí)的助力，并不需要支撐起全部上體質(zhì)量，經(jīng)實(shí)測，彎腰40°時(shí)需要助力的大小不超過50 N，故CMD16-150型氣缸能滿足多數(shù)成年人的助力需求。超常體重者可選擇加大型號(hào)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(dòng)氣缸活塞桿2～3次，使氣缸內(nèi)升起適宜的壓力，將兩側(cè)腋托置于腋下，此時(shí)裝置內(nèi)力的傳導(dǎo)路線如圖5所示，人體重力通過氣缸體向下傳到腰帶時(shí)，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(shí)會(huì)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(cè)，壓向人的腰椎部位。

圖5 裝置傳力路線

患者直立時(shí)的受力狀態(tài)如圖6所示，裝置將上肢向上托舉，上肢質(zhì)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(shí)，腰帶后側(cè)還會(huì)對人體腰椎部位構(gòu)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(shí)人體受力分析

患者彎腰時(shí)，活塞下行，缸內(nèi)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(shí)腰帶對腰椎的按壓也繼續(xù)對腰椎起到按摩作用。

圖7 彎腰時(shí)人體受力分析

4 試用體驗(yàn)

經(jīng)過數(shù)十人穿戴體驗(yàn)，反饋如下：1）曾經(jīng)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(shí)可感受到明顯助力；2）正在患腰椎間盤突出癥而不能進(jìn)行日常上肢活動(dòng)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(fù)時(shí)間；3）腰肌勞損患者，佩戴后彎腰時(shí)明顯減輕腰部受力，活動(dòng)比不佩戴（更）自如；4）頻繁彎腰的體力勞動(dòng)者，佩戴裝置后彎腰負(fù)擔(dān)減輕；5）中醫(yī)康復(fù)科醫(yī)生體驗(yàn)后，認(rèn)為該裝置可用于腦卒中偏癱患者手及上肢功能康復(fù)訓(xùn)練的輔助支撐；6）上述用戶體驗(yàn)的共同缺點(diǎn)是：佩戴時(shí)腋托使腋下受到擠壓，長時(shí)間佩戴會(huì)妨礙血液流通。

5 輔助治療機(jī)理

腰椎間盤的結(jié)構(gòu)如圖8所示，圖8（a）中①為健康腰椎中纖維環(huán)、髓核與脊髓神經(jīng)的位置關(guān)系。隨著纖維環(huán)的退變及腰椎的使用不當(dāng)，纖維環(huán)從薄弱處破裂，髓核從破裂處伸到后方的椎管內(nèi)，經(jīng)過此處的神經(jīng)即受到壓迫，腰椎間盤組織呈現(xiàn)為圖8（a）中②的樣子，圖8（b）是從側(cè)面角度呈現(xiàn)的神經(jīng)受擠壓的情況。神經(jīng)受到壓迫后，腰部、腿部等神經(jīng)所到達(dá)的部位均會(huì)感受到疼痛和功能受限。治療腰椎突出的方法之一，是鼓勵(lì)患者盡早恢復(fù)適度的日常運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生的脊柱動(dòng)力載荷可促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的彌散，影響椎間盤基質(zhì)代謝，減緩基質(zhì)退變，運(yùn)動(dòng)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(fù)方法之一，將腰椎沿縱向拉開，釋放對神經(jīng)的壓迫，能減輕疼痛癥狀，使患者盡早恢復(fù)日常活動(dòng)。

圖8 腰椎間盤突出癥狀機(jī)理

由此可見適度運(yùn)動(dòng)對腰椎患者的康復(fù)起到積極的治療作用，而佩戴本裝置可使各類患者早日進(jìn)行運(yùn)動(dòng)練習(xí)，同時(shí)又能利用裝置產(chǎn)生的牽引作用治療腰椎，達(dá)到雙倍的治療效果。

6 樣機(jī)及佩戴實(shí)況

樣機(jī)及佩戴實(shí)況如圖9、圖10所示。

7 結(jié)語

本裝置通過托扶上身實(shí)現(xiàn)彎腰助力，原理新穎，方法可靠；隨著人體彎腰運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)增壓，不需要額外的動(dòng)力即可滿足支撐力的需要，且能根據(jù)佩戴者體質(zhì)情況方便地調(diào)節(jié)支撐力大小。適用于腰椎間盤突出癥急性發(fā)作期及康復(fù)期患者、腰肌勞損和頻繁彎腰重體力勞動(dòng)者，也可作為腦卒中偏癱患者手及上肢功能康復(fù)訓(xùn)練的輔助支撐。它結(jié)構(gòu)簡單、輕巧靈便、價(jià)格低廉、佩戴和調(diào)整方便。腋托對腋窩部位的壓力，可通過更換腋托材質(zhì)和結(jié)構(gòu)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(chǎn)品，本裝置具有廣闊的市場前景。