單腿多自由度下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計

趙新宇 艾雯 張一諾

摘?要：本文所提出的是一款下肢康復(fù)機(jī)器人，該產(chǎn)品可以輔助下肢肌力障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，以此來達(dá)到下肢肌力康復(fù)的目的，首先對下肢康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和研究，然后基于人體工程學(xué)，對人體下肢進(jìn)行生物力學(xué)分析，最后運用感性工學(xué)對多自由度下肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行外觀設(shè)計。

關(guān)鍵詞：下肢康復(fù)機(jī)器人;人機(jī)工程學(xué);感性工學(xué)

隨著我國人口老齡化階段的加速以及由于交通事故等外在因素的增多，下肢肌力障礙患者的人數(shù)也在急劇增加，因此，為老年人或其他肌力障礙患者提供性能優(yōu)越的康復(fù)輔助器具已成為整個社會重點關(guān)注的問題之一。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，下肢康復(fù)輔具有著前所未有的發(fā)展前景。本文即從適老化和大健康角度來引入一款新型的下肢康復(fù)機(jī)器人，來幫助下肢肌力障礙患者進(jìn)行下肢肌力的康復(fù)訓(xùn)練，讓患者在未來更好的融入正常的日常生活中。

1 國內(nèi)外下肢康復(fù)輔具研究現(xiàn)狀

近幾年來，我國國家康復(fù)輔具研究中心、清華大學(xué)、燕山大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)及高校、企業(yè)共同參與組織并承擔(dān)了諸多國家科技支撐計劃以及863計劃項目課題，例如燕山大學(xué)王洪波教授及其團(tuán)隊所研發(fā)的坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人，具有兩條外骨骼機(jī)械腿，三個自由度，能實現(xiàn)多個康復(fù)訓(xùn)練動作。國外的日本筑波大學(xué)山海嘉之教授所開發(fā)的HAL系列下肢運動輔助外骨骼，它采用了角度傳感器、肌電信號傳感器和地面接觸力傳感器等傳感設(shè)備來獲得外骨骼和操作者的狀態(tài)信息。

2 下肢生物力學(xué)及生理結(jié)構(gòu)分析

人體下肢的主要關(guān)節(jié)有三個，分別為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)，三個關(guān)節(jié)的協(xié)同合作會產(chǎn)生推動人體前進(jìn)的效果，如表1所示為各個關(guān)節(jié)的運動方式及運動范圍。

3 基于感性工學(xué)的下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計

3.1 樣本案例的篩選

通過新聞報道、康復(fù)醫(yī)療雜志、設(shè)計比賽以及網(wǎng)絡(luò)調(diào)研等渠道，收集大量的下肢康復(fù)醫(yī)療器具的圖片，共收集到樣本圖片120張，運用KJ法對120張樣本進(jìn)行評估分析，將外觀形態(tài)相似的圖片進(jìn)行分類及編號，最后分組預(yù)覽，得到最具有代表性的10個樣本案例。

3.2 感性意象詞匯的收集與篩選

通過網(wǎng)絡(luò)期刊、文獻(xiàn)、和實地訪談等方式，從形態(tài)、色彩和材質(zhì)三個方面，搜集可以描述輪椅特征的感性意象詞匯，剔除重復(fù)的詞匯，建立感性意象詞匯庫。最終確定了6對感性意象詞匯對。

3.3 語義差異法的應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析

建立五階語義差異量表，將篩選出來的10個樣本案例與6對感性意象詞匯對組成調(diào)查問卷，讓受測者對每個樣本案例的每一對感性意象詞匯進(jìn)行評價，從左至右依次為-2，-1，0，1，2五種程度。再根據(jù)調(diào)查問卷所獲得的反饋結(jié)果，對樣本案例的得分評價進(jìn)行統(tǒng)計和計算，計算其平均值，如表2所示。

由以上數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)有市場上的產(chǎn)品造型，其形態(tài)，大多以沉重的和方正的為主，是因為產(chǎn)品自身在運行的過程中，需要給予患者足夠的安全感，不宜過于輕巧，但過于方正，又會增加患者因觸碰受傷的風(fēng)險，因此，應(yīng)摻雜少許較為圓潤的元素。在色彩方面，現(xiàn)有產(chǎn)品的顏色搭配都過于單一，應(yīng)在主體顏色基調(diào)相對簡約的同時，添加一些輔助顏色。材質(zhì)方面，由于康復(fù)輔具類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)大多較為復(fù)雜，并且要充分考慮到產(chǎn)品的安全性，因此其材質(zhì)應(yīng)選用強度較高的剛性材料。

4 設(shè)計實踐

基于上文的分析研究，設(shè)計出一款單腿多自由度下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。為了避免產(chǎn)品主體機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜，也為了降低產(chǎn)品自身的制造成本，因此采取單腿機(jī)構(gòu)來協(xié)助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，主機(jī)與腿部連接部分，設(shè)有卡扣裝置，打開卡扣，橫向翻轉(zhuǎn)180°便可以實現(xiàn)另一側(cè)腿部的康復(fù)訓(xùn)練。此外，腿部訓(xùn)練機(jī)構(gòu)共包含三個自由度，各個關(guān)節(jié)內(nèi)部具有相應(yīng)的限位裝置，以防止患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的同時，因為機(jī)器意外運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的二次傷害。在穿戴材料內(nèi)部，包裹著生物電磁貼片，在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的過程中可以對患者的下肢肌肉產(chǎn)生刺激作用。另外，在產(chǎn)品主機(jī)身設(shè)有電子顯示屏，更加直觀的顯示患者自身的各項數(shù)據(jù)，相關(guān)醫(yī)護(hù)人員可以根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)一步模擬新的訓(xùn)練計劃，幫助患者更好的進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。產(chǎn)品效果圖如下圖所示。

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作者簡介：趙新宇（1995-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古赤峰人，研究生在讀，研究方向：工業(yè)設(shè)計工程。