穿戴式老年人輔助行走裝備設(shè)計(jì)＊

余冰清，張曉雷

（武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，老齡化逐漸成為了中國越來越不可忽視的一個(gè)問題。從1999年起，中國步入了老齡化社會(huì)，聯(lián)合國預(yù)計(jì)2030—2050年，中國老齡化進(jìn)程將加快，到2050年，老年人將占全國人口的1/51。

結(jié)合中國目前的老齡化現(xiàn)狀，可總結(jié)出中國人口老齡化呈現(xiàn)出老年人口基數(shù)大、增長速度快、高齡化程度明顯、老年患病率高等特點(diǎn)，這為中國的經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療、養(yǎng)老服務(wù)等領(lǐng)域皆帶來極大的挑戰(zhàn)，目前中國老年人群的健康問題和生活環(huán)境已成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。與此同時(shí)，社會(huì)對(duì)為提高老年人的生活水平而設(shè)計(jì)的輔助設(shè)備的需求也逐漸增多。

其中解決老年人行走問題是保證老年人健康安全生活非常重要的一部分。老年人因體力下降、器官功能的退化、關(guān)節(jié)承受能力下降等原因，常常導(dǎo)致行走不便。

根據(jù)老年人生理和心理狀態(tài)以及中國老年人的現(xiàn)狀特點(diǎn)，將老年人劃分為以下4個(gè)年齡段：健康活躍期（60～64歲），自立自理期（64～74歲），行動(dòng)緩慢期（75～84歲），照顧護(hù)理期（85歲以上）[1]。根據(jù)調(diào)查了解到60～80歲年齡段的人群運(yùn)動(dòng)機(jī)能衰退，大部分需要輔助行走。

此階段老年人日常行走基本無障礙，僅當(dāng)行走的時(shí)間比較長或者參加運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以選用一定合適的助行工具減輕長時(shí)間行走的疲勞，減輕關(guān)節(jié)的負(fù)重，減輕行走時(shí)對(duì)關(guān)節(jié)的磨損并減小在行走中跌倒的概率，避免產(chǎn)生更大傷害。

針對(duì)此現(xiàn)象，文中設(shè)計(jì)了一款穿戴式老年人協(xié)同行走裝備，本裝置目標(biāo)人群是針對(duì)日常長時(shí)間運(yùn)動(dòng)會(huì)有一定困難，但基本可以自理的人群。該裝置設(shè)計(jì)了U型支架、七軸膝關(guān)節(jié)、彈簧助力機(jī)構(gòu)和輔助平衡模塊。使用七軸膝關(guān)節(jié)鏈接支架，更好地?cái)M合人體腿部運(yùn)動(dòng)，帶來更舒適的使用體驗(yàn)；依據(jù)小腿肌肉正負(fù)功轉(zhuǎn)換與彈簧儲(chǔ)能元件的原理設(shè)計(jì)彈簧助力機(jī)構(gòu)，分擔(dān)肌肉力量，從而減少收縮時(shí)所承受的代謝能力；輔助平衡模塊將阻尼桿和滑塊結(jié)合，使老人充分自由行走同時(shí)，也利用阻尼輔助老人維持身體平衡。

本裝置可增加老人走路時(shí)的平衡性，減輕關(guān)節(jié)負(fù)重，使老年人行走時(shí)更加省力和安全，增加了輔助平衡裝置，降低了老人因?yàn)橥炔苛α坎蛔愣さ沟母怕?，改善老年人行走不便的問題。本裝置設(shè)計(jì)旨在對(duì)具有自然老化產(chǎn)生輕度運(yùn)動(dòng)障礙的老人進(jìn)行行走輔助，延緩其運(yùn)動(dòng)機(jī)能衰退。

1 裝置整體設(shè)計(jì)

裝置整體包括U形支架、七軸膝關(guān)節(jié)、彈簧助力機(jī)構(gòu)和輔助平衡模塊，如圖1所示。

圖1 整體裝置設(shè)計(jì)圖

其中U形支架包括底板和兩個(gè)支撐架，每一支撐架包括小腿支撐架和大腿支撐架，起支撐固定作用，小腿支撐架和大腿支撐架間通過七軸膝關(guān)節(jié)連接；輔助平衡模塊位于裝置前側(cè)，起防摔倒、輔助平衡的作用；彈簧助力機(jī)構(gòu)位于裝置后側(cè)，助力老人行走。

2 七軸膝關(guān)節(jié)

目前市面上擁有的膝關(guān)節(jié)大致分為：①流體單軸式膝關(guān)節(jié)。這類膝關(guān)節(jié)是出現(xiàn)最早的膝關(guān)節(jié)，是由單個(gè)回轉(zhuǎn)軸組成的膝關(guān)節(jié)，由于它只有一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，所以可以實(shí)現(xiàn)靈活的擺動(dòng)，但是有一個(gè)最大的缺點(diǎn)是擺動(dòng)期不穩(wěn)定。②承重自鎖式膝關(guān)節(jié)。這種膝關(guān)節(jié)中配有制動(dòng)塊，在腿伸直時(shí)，利用自身體重施加制動(dòng)以防止膝關(guān)節(jié)彎曲。③多軸式膝關(guān)節(jié)。對(duì)于單軸式膝關(guān)節(jié)，小腿繞其轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)中心不變。但是，正常人膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)并不是這樣的，正常人膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是轉(zhuǎn)動(dòng)加移動(dòng)。為了更擬合正常人膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，研制出了具有可變瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的多軸膝關(guān)節(jié)。這類膝關(guān)節(jié)由多軸連桿機(jī)構(gòu)組成，其中最常見的是四軸連桿膝關(guān)節(jié)[2]。④流體控制式膝關(guān)節(jié)。其可以輸出與人體肌肉非常類似的非線性阻尼，兩種控制方式可以讓患者小腿的活動(dòng)更加正常。

其中有一類多軸膝關(guān)節(jié)，其特殊之處在于它由七個(gè)軸、六根聯(lián)桿組成。其不僅具備多軸膝關(guān)節(jié)全部特點(diǎn)，而且從幾何學(xué)的角度確保了在人行走過程中，從一只腳足跟著地到另一只腳抬起的過程中膝關(guān)節(jié)能穩(wěn)定固定，還可以很好地預(yù)防行走時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲導(dǎo)致患者摔倒。

綜上對(duì)所有市面上的所有的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行比較，并結(jié)合李寧等[3]對(duì)七軸膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)瞬心軌跡與人類運(yùn)動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)瞬心軌跡的比較結(jié)果，可知七軸膝關(guān)節(jié)的瞬心軌跡和人體膝關(guān)節(jié)的瞬心軌跡基本擬合，說明七軸膝關(guān)節(jié)能較好地模擬正常人膝關(guān)節(jié)瞬心軌跡，使裝置使用起來更加舒適方便，因此，在本裝置中小腿支撐架和大腿支撐架之間采用七軸膝關(guān)節(jié)連接。

3 彈簧助力機(jī)構(gòu)

3.1 彈簧助力機(jī)構(gòu)原理

人類在行走過程中，消耗代謝所產(chǎn)生的能量，這些能量一部分用來恢復(fù)已經(jīng)消散的能量，例如軟組織的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，但是最大部分的消耗是在肌肉上，肌肉消耗能量來做正功，按照能量守恒定律，他們也會(huì)使用代謝能量產(chǎn)生力并進(jìn)行負(fù)功，這就增加了體重支撐、肌腱伸展、反沖時(shí)保持肌腱的代謝成本。

依據(jù)小腿肌肉正負(fù)功轉(zhuǎn)換與彈簧儲(chǔ)能元件的原理，可建立由離合器、彈簧彈性助力行走裝置，在運(yùn)動(dòng)過程中通過對(duì)裝置的連接和斷開來模擬人體運(yùn)動(dòng)，裝置主要由一個(gè)離合器和一個(gè)彈簧組成，它在走路時(shí)承擔(dān)了小腿肌肉和肌腱的一些功能，裝置與使用者的小腿肌肉平行，分擔(dān)肌肉力量，從而減少收縮時(shí)所承受的代謝能力。裝置示意及實(shí)物如圖2所示。

圖2 彈性離合器裝置示意及實(shí)物圖

當(dāng)腳在地上時(shí)，踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)使得裝置保持松弛，從而有助于肌肉收縮。當(dāng)使用者抬腳時(shí)，允許腳在空中自由運(yùn)動(dòng)。

3.2 棘輪機(jī)構(gòu)選取

關(guān)于離合器的結(jié)構(gòu)，輪齒式棘輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，棘輪轉(zhuǎn)角的大小可進(jìn)行有級(jí)調(diào)節(jié)，但由于回程時(shí)棘爪在棘輪齒背上滑行，容易磨損，并產(chǎn)生噪音。另外，為使棘爪能順利嚙入棘輪輪齒間，棘爪的位移必須大于棘輪運(yùn)動(dòng)角的相應(yīng)位移，這就存在空程并產(chǎn)生沖擊[4]。

摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)無上述缺點(diǎn)，且從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)角可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)，但由于接觸表面間易發(fā)生滑動(dòng)，因而其運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和可靠性比輪齒式棘輪機(jī)構(gòu)差[5]。不適用于高速或者運(yùn)動(dòng)精度高的場(chǎng)合，適用于低速輕載場(chǎng)合。

通過比較上述各類棘輪后，最終選取摩擦棘輪。摩擦棘輪的無級(jí)運(yùn)動(dòng)更加符合人體的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，選取性質(zhì)優(yōu)良的材料或涂層則可以減少棘輪與棘爪之間的相對(duì)滑動(dòng)，提高精度。

3.3 彈簧助力工作流程

其中，棘爪與棘輪接觸部分有高阻力材料，以增大棘輪與棘爪之間的摩擦力，棘輪上纏繞有繩子，使用者正常使用時(shí)提供順時(shí)針的拉力，棘輪下方有發(fā)條彈簧始終提供逆時(shí)針的扭矩，保證離合器正常工作。彈簧拉動(dòng)繩子使棘輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，在達(dá)到最大值之前，棘爪都為嚙合狀態(tài)，棘輪只可以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，逆時(shí)針的轉(zhuǎn)矩會(huì)被摩擦力抵消，這就使得使用者的腳在空中可以自由運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。當(dāng)棘輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)達(dá)到最大值時(shí)，彈開楔塊會(huì)彈開棘爪，打破嚙合的狀態(tài)，此時(shí)，棘輪可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，于是發(fā)條彈簧所提供的逆時(shí)針的扭矩會(huì)使棘輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，收回繩子，如圖4所示。當(dāng)棘輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)達(dá)到最大值時(shí)，棘輪的凸臺(tái)會(huì)彈回棘爪，使棘爪與棘輪嚙合，并以此循環(huán)。

圖3 棘爪與棘輪接觸摩擦

圖4 棘爪與棘輪楔塊彈開

4 輔助平衡模塊

在老人前行過程時(shí)，跨步伴隨身體前傾約占步態(tài)行走周期的40%，當(dāng)處于擺動(dòng)姿態(tài)時(shí)，小腿后部肌肉拉扯腳底形成反向力矩維持身體平衡，對(duì)于體力下降的老人不易長時(shí)間行走，會(huì)隨行走運(yùn)動(dòng)量增加而勞累，維持身體平衡的能力減弱。因此，在裝置前方設(shè)計(jì)輔助平衡裝置，在腳背上方的阻尼桿底端與腳底板成銳角固定，上端與滑塊形成的轉(zhuǎn)動(dòng)副在行走的過程中滿足腳踝轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。最終阻尼桿與小腿、腳底板形成三角支撐，由阻尼桿受到壓力產(chǎn)生的反作用力加上老人小腿后內(nèi)部肌肉收縮形成的合力抵消重心前移的水平分力。滑動(dòng)的阻尼桿支撐人體小腿抵消身體前傾時(shí)重力的部分水平分力。阻尼桿-滑塊位置如圖5所示。

圖5 阻尼桿-滑塊位置示意圖

在無需阻尼支撐時(shí)，由滑塊行程內(nèi)的滑動(dòng)抵消腳踝的轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的機(jī)構(gòu)位置變化，并保證了踝關(guān)節(jié)的自由度形成。隨小腿與腳底板的夾角減小，滑塊達(dá)到行程上線限，阻尼桿開始被人體前傾的重力勢(shì)能壓縮，由阻尼桿受到壓力產(chǎn)生的反作用力加上老人小腿后內(nèi)部肌肉收縮形成的合力抵消重心偏移的分力，維持人體平衡。當(dāng)阻尼器反作用力越大時(shí)，人體維持平衡所需要的小腿消耗也就越小，結(jié)果顯示老年人行走過程中前傾維持平衡需要的肌力減少，裝置可輔助衰老帶來的身體機(jī)能衰退，平衡控制能力下降時(shí)行走的穩(wěn)定性。