外骨骼在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

金曉明

摘 要：本次研究中，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)無(wú)線控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試者的控制，可以保證測(cè)試者的直立行走，符合人體生理結(jié)構(gòu)，因此，希望通過(guò)文章的研究，可以為截癱患者的康復(fù)訓(xùn)練帶來(lái)希望。

關(guān)鍵詞：截癱患者；康復(fù)訓(xùn)練；驅(qū)動(dòng)外骨骼

中圖分類號(hào)：R684 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）02-0102-02

Abstract： In this study， the use of motor drive through the wireless control system to achieve the control of the tester can ensure that the tester walking upright， in line with the physiological structure of the human body. Therefore， it is argued in this paper that this study can bring hope for the rehabilitation training of paraplegic patients.

Keywords： paraplegic patients； rehabilitation training； powered exoskeleton

前言

目前，大部分外骨骼屬于關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，但是其售價(jià)以及使用壽命成為人們摒棄的重要因素[1]，因此，本文致力于研究足底輪式驅(qū)動(dòng)外骨骼，以此來(lái)滿足截癱患者的使用需求，且改善患者的康復(fù)效果。

1 總體設(shè)計(jì)

本文采用機(jī)電設(shè)計(jì)以及降低自動(dòng)化以及傳感器的方式來(lái)提升患者的掌控能力。系統(tǒng)包括足底輪式驅(qū)動(dòng)外骨骼以及無(wú)線控制肘拐兩個(gè)組成部分。使用者需要保證具有上肢運(yùn)動(dòng)能力，且身高低于185cm，體重小于100公斤。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，外骨骼最大行走速度為2.1km/h。

2 外骨骼技術(shù)特征分析

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次研究采用HKAF（臀部、膝蓋、踝關(guān)節(jié)和腳）全下肢機(jī)械結(jié)構(gòu)，其允許踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，但是會(huì)在矢狀面采用限制，通過(guò)該方法來(lái)解決踝關(guān)節(jié)外旋的問(wèn)題。同時(shí)在外骨骼的設(shè)計(jì)中，對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行機(jī)械限制，人體正常的踝關(guān)節(jié)背曲為15°，跖曲為10-20°。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，外骨骼的脛骨設(shè)計(jì)可以在70mm的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

外骨骼的材料設(shè)計(jì)采用鋼條制作，以便承受患者的載荷，骨盆采用鋁合金加工制作，根據(jù)人體的生理曲線來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2-3]。髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)采用鋁合金制作，膝關(guān)節(jié)采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，另外對(duì)于整體設(shè)計(jì)，采用輕量的設(shè)計(jì)，且高強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，以便可以減輕患者的負(fù)擔(dān)。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

在驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)中，其屬于系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其設(shè)計(jì)圖如1所示。

從圖中可以看出，機(jī)架的設(shè)計(jì)由6塊鋁合金鋼板構(gòu)成，可以對(duì)患者的身體進(jìn)行支撐，并且可以滿足移動(dòng)的要求，在足底的驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)中，同樣需要通過(guò)2個(gè)黏扣帶來(lái)進(jìn)行固定。在踝關(guān)節(jié)的固定方面，采用2個(gè)推力軸來(lái)進(jìn)行連接，同時(shí)在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，在踝關(guān)節(jié)添加限位，在足后添加限位螺栓，保證整體的旋轉(zhuǎn)角度控制在30°左右，另外，在踝關(guān)節(jié)加工8個(gè)螺紋孔，通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)70mm范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，可以適應(yīng)不同身高的患者。

在對(duì)足底的設(shè)計(jì)中，采用2個(gè)輪子進(jìn)行設(shè)計(jì)，前輪為輔助輪，后輪為驅(qū)動(dòng)輪，設(shè)計(jì)尺寸通常是考慮的難題，其主要是由于外徑、功率以及安全性均是考慮的重要因素。本次設(shè)計(jì)中，采用了外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)，并且采用雙極行星減速結(jié)構(gòu)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為150r/min，其整體速度可以達(dá)到2.1km/h，電機(jī)的功率為60W，電壓為24V，行星減速器的首級(jí)和二級(jí)齒數(shù)相同，外齒圈、太陽(yáng)齒和行星齒數(shù)分別為84，20和31齒。

2.3 無(wú)線肘拐系統(tǒng)及電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肘拐的手柄采用鋁合金制作，包括上殼、下殼和按鍵三個(gè)組成部分，上殼負(fù)責(zé)支撐患者的重量，并且鑲嵌無(wú)線控制器；下殼覆蓋無(wú)線控制器，且設(shè)計(jì)高臺(tái)，以此來(lái)避免出現(xiàn)誤碰的現(xiàn)象。在按鍵的設(shè)計(jì)方面，具有30°的斜坡，通過(guò)調(diào)節(jié)搖桿可以調(diào)節(jié)速度，對(duì)于按鍵的設(shè)計(jì)，可以在下殼內(nèi)滑動(dòng)和復(fù)位，手柄可以在導(dǎo)槽內(nèi)根據(jù)患者的身高來(lái)調(diào)節(jié)高度。其如圖2所示。

在電源控制系統(tǒng)中，其無(wú)線發(fā)射器是采用藍(lán)牙無(wú)線傳輸模式，其型號(hào)為STM32F103，其電源為630mA×4.2V的鋰電池。撥桿是控制外骨骼行進(jìn)的重要器件，由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定撥桿的轉(zhuǎn)角，在其處于零位時(shí)會(huì)剎車，無(wú)線接收器采用藍(lán)牙模塊，通過(guò)PWM調(diào)速，電機(jī)采用24V Hall驅(qū)動(dòng)器，在檢測(cè)到PWM信號(hào)后開(kāi)始驅(qū)動(dòng)，否則將會(huì)自動(dòng)剎車。鋁盒的尺寸為220*122*32mm，電線通過(guò)側(cè)面與電機(jī)連接。

3 儀器實(shí)驗(yàn)

本次研究采用成年健康男性的使用情況進(jìn)行分析，測(cè)試人員的身高為170cm，體重為60kg，身體機(jī)能良好。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)測(cè)試者采用紅外攝像頭進(jìn)行步態(tài)分析，通過(guò)Vicon軟件來(lái)處理數(shù)據(jù)。測(cè)試者首先在不穿戴外骨骼的情況下完成數(shù)據(jù)的收集，之后在穿戴外骨骼的情況下收集數(shù)據(jù)，測(cè)試者在完成穿戴后，解鎖膝關(guān)節(jié)固定下肢，打開(kāi)開(kāi)關(guān)后站立鎖定膝關(guān)節(jié)，穿戴時(shí)間約為3min左右。外骨骼雖然雙腳不離地，但是具有肘拐的使用特點(diǎn)，因此，可以通過(guò)步態(tài)的方式來(lái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。因此，本次研究采用三點(diǎn)步態(tài)的方式來(lái)進(jìn)行分析。

本次研究中，采用踝關(guān)節(jié)標(biāo)志點(diǎn)曲線的方式來(lái)計(jì)算，以此來(lái)確定步態(tài)的參數(shù)。其具體數(shù)據(jù)如表1所示。通過(guò)對(duì)跨步長(zhǎng)、步速以及步頻等數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)試者的步長(zhǎng)達(dá)到要求，同時(shí)在速度的設(shè)計(jì)方面僅僅為0.58m/s，其可能是由于測(cè)試者訓(xùn)練時(shí)間相對(duì)較短，因而無(wú)法達(dá)到最佳的訓(xùn)練效果。另外，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是截癱患者，因此其安全性和速度仍然有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元，通過(guò)肘拐無(wú)線控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)截癱患者的行走設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)技術(shù)方案的設(shè)計(jì)以及三維步態(tài)的分析，發(fā)現(xiàn)在穿戴外骨骼的過(guò)程中，符合正常人體運(yùn)動(dòng)需求，可以基本保證人體的行走。

參考文獻(xiàn)：

[1]靳興來(lái)，朱世強(qiáng)，張學(xué)群，等.液壓驅(qū)動(dòng)下肢助力外骨骼機(jī)器人膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（05）：26-31.

[2]謝崢，王明江，黃武龍，等.一種行走輔助型下肢外骨骼的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，02（27）：1-2.

[3]曹志剛，葉曉東，王玉成，等.基于卡爾曼預(yù)測(cè)的外骨骼擺動(dòng)腿隨動(dòng)控制研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（29）：96-102.

[4]伍宏芳，王佳流，史騰達(dá)，等.下肢外骨骼助力裝置設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（09）：298-299.endprint