助老行走用膝關(guān)節(jié)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)研究

陳艷軍 苑博 張學(xué)同 張成龍 朱俊濤

摘 要：老年人是一種弱勢(shì)群體，在生活中有諸多不便。隨著人口基數(shù)不斷擴(kuò)大，老年人也在不斷增多，家庭生活壓力的不斷增長(zhǎng)，年輕一輩很難時(shí)時(shí)刻刻照顧到老年人。而老年人也應(yīng)該擁有自己充實(shí)的晚年生活，包括物質(zhì)上和精神上，如可以經(jīng)常去公園遛彎，或者去某些景區(qū)旅游等。然而現(xiàn)在越來越多的老年人都存在不同程度上的膝關(guān)節(jié)疼痛的病癥，這對(duì)老年人的晚年生活帶來了很大程度的影響，但是很多人年輕人甚至老年人本身卻對(duì)膝關(guān)節(jié)疼痛不太了解，以為這是老年人會(huì)有的病痛，并沒有加以重視。膝關(guān)節(jié)疼的確是很多老年人都會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象，尤其是在上下樓梯時(shí)疼痛尤為明顯，老年人膝蓋疼痛的原因考慮三個(gè)方面，第一是本身由于年齡增大，鈣質(zhì)流失較多出現(xiàn)骨質(zhì)疏松的問題引起的疼痛，第二是由于老年人身體機(jī)能下降出現(xiàn)關(guān)節(jié)退行性病變也是比較常見的問題。第三是由于存在關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)炎癥損傷等問題。

關(guān)鍵詞：助老行走;膝關(guān)節(jié);保護(hù);研究

一、設(shè)計(jì)的目的和意義

長(zhǎng)久以來，老年人時(shí)常需要看護(hù)，需要經(jīng)常到戶外進(jìn)行活動(dòng)，尤其是行動(dòng)不便的老人。有研究表明，約有5%～7%的老年人患有不同程度的骨關(guān)節(jié)炎、半月板損傷等膝蓋疾病，這使得他們?cè)诩彝サ纳钪行袆?dòng)會(huì)受到限制，如自身身體狀況的限制，社會(huì)關(guān)系的限制等。在此背景下，結(jié)合人性化設(shè)計(jì)思想，注重“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，讓社會(huì)更為廣泛的關(guān)注到老年人等這類弱勢(shì)群體，滿足他們的生理及心理需求的呼聲越來越高。通過實(shí)地調(diào)研，對(duì)老年人的生活觀察，以及對(duì)諸多家庭的調(diào)研，老人與子女都迫切的希望在這個(gè)問題上得到解決方案，既達(dá)到不讓家人擔(dān)心的同時(shí)，又能達(dá)到在老人生活自理的目的。因此，從人機(jī)工程學(xué)，設(shè)計(jì)心理學(xué)等相關(guān)設(shè)計(jì)角度對(duì)目前生活中保護(hù)膝蓋類設(shè)備的造型特點(diǎn)、功能需求、發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行深入的研究和分析，通過對(duì)比現(xiàn)有的此領(lǐng)域醫(yī)療器械的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合老年人群體的生理分析，設(shè)計(jì)出一款更符合他們使用的減緩膝關(guān)節(jié)疼痛的產(chǎn)品的需求應(yīng)運(yùn)而生，以此去改善老年人的生活需求、生活品質(zhì)，降低家庭生活的壓力。使他們的生活更加舒適安全。

二、工作原理

本產(chǎn)品由兩組相對(duì)簡(jiǎn)單的平面四桿機(jī)構(gòu)組合而成，利用人行走過程中腳掌與腿部的角度變化，將地面對(duì)腳部和小腿的支持力傳遞到大腿部位，已達(dá)到減少行走過程中體重對(duì)膝蓋的壓力、減緩疼痛的目的。同時(shí)結(jié)合仿生學(xué)常識(shí)，在大腿及小腿滑道處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全符合人行走時(shí)各關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不會(huì)帶來任何反作用力。

2.1 工作原理簡(jiǎn)介

要想達(dá)到緩解老年人行走過程中膝蓋疼痛的問題，至少需要解決以下幾個(gè)問題：

（1）要有對(duì)腿部的支撐機(jī)構(gòu)和力的傳遞結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單越好;

（2）必須要有一定的位移量，用來抵消因皮膚彈性造成的護(hù)具固定后仍不可避免的上下串動(dòng)，做到對(duì)大腿部位的持續(xù)用力;

（3）在人行走的整個(gè)過程中，彈簧不能違背人體行走的習(xí)慣，起任何反作用效果。

針對(duì)以上三點(diǎn)要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的平面連桿機(jī)構(gòu)：

該裝置的工作原理如下：

（1）腳掌、桿1、滑塊1和小腿護(hù)具滑道構(gòu)成了一個(gè)曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，當(dāng)小腿與腳掌角度變化時(shí)（邁步）時(shí)，滑塊1便通過彈簧對(duì)小腿護(hù)具有一個(gè)向上的作用力;

（2）膝蓋三角板上沿、桿3、滑塊2和大腿護(hù)具滑道構(gòu)成了第二個(gè)曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，動(dòng)力來源于桿2的支撐力，當(dāng)大腿和腳掌角度變化（邁步）時(shí)，滑塊2便通過彈簧對(duì)大腿護(hù)具有一個(gè)向上的作用力;

（3）可以通過調(diào)節(jié)桿1、桿2和桿3的長(zhǎng)度改變兩個(gè)滑塊的行程，同時(shí)通過調(diào)整兩個(gè)彈簧的剛度來改變裝置對(duì)大腿的支撐力，一達(dá)到對(duì)使用者最佳的使用效果;

（4）由于滑塊沿滑塊方向有較大的位移，故可以平衡掉因?yàn)槠つw彈性造成的護(hù)具傳動(dòng)，做到設(shè)備對(duì)腿部的持續(xù)用力;

（5）選擇好彈簧的平衡位置（初始長(zhǎng)度），可以做到在腿部受力時(shí)彈簧被壓縮，用于緩解膝蓋疼痛，而在不受力時(shí)一直保持松開狀態(tài)，不產(chǎn)生任何的反作用力。

2.2 行走時(shí)各關(guān)節(jié)角度變化分析

人在行走時(shí)各關(guān)節(jié)的角度變化程一定的規(guī)律性，但該規(guī)律卻受到很多因素的影響而顯示出多種變化。根據(jù)參考文獻(xiàn)4、5的研究成果，同時(shí)考慮在一定程度上簡(jiǎn)化模型，便得到了三個(gè)環(huán)節(jié)中各關(guān)節(jié)的角度變化規(guī)律。且本篇文章所進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算均以此為依據(jù)。

（1）小腿與腳掌的角度變化，在正常行走或在各種動(dòng)作下的變化都不大，基本在80°～100°之間循環(huán)，即：前腳剛著地時(shí)角度約80°，此時(shí)腿部剛開始受力，并逐漸增大，當(dāng)角度增大到100°時(shí)受力達(dá)到最大，此時(shí)過后便開始抬起腳跟，角度又開始變小。當(dāng)腿部懸空向前邁出時(shí)，小腿與腳掌基本垂直，且保持放松狀態(tài)，指導(dǎo)前腳再次著地，進(jìn)行下次循環(huán);

（2）與小腿較小的角度變化相比，大腿與腳面的角度變化比較明顯。在正常行走過程中，當(dāng)前腳伸出準(zhǔn)備用力時(shí)，此時(shí)角度約為75°，并開始用力，當(dāng)角度約為95°時(shí)受力結(jié)束，此時(shí)腳跟抬起，整個(gè)腿部向前邁出。此時(shí)角度迅速變小，直至75°時(shí)進(jìn)行下一各循環(huán);

（3）當(dāng)進(jìn)行上下臺(tái)階的動(dòng)作時(shí)，大腿與見面基本呈45°，而當(dāng)坐下時(shí)，角度約為0°，此時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要較大的空行程，但原理類似，因此本文只做45°時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)束語(yǔ)：在現(xiàn)有的老年人康復(fù)器材中，對(duì)膝蓋部位的護(hù)理主要是護(hù)膝和關(guān)節(jié)固定兩種，護(hù)膝的作用主要是是防止意外挫傷，關(guān)節(jié)固定主要針對(duì)有骨骼損傷的患者，現(xiàn)在尚缺乏一種專門針對(duì)膝蓋疼痛的醫(yī)療設(shè)備。極個(gè)別能看到的也就是在大腿和小腿上綁住護(hù)具，在護(hù)具之間有一個(gè)鉸點(diǎn)，可以在一定程度上稍有緩解。但因?yàn)槠つw有彈性，護(hù)具綁住之后不可避免的會(huì)有上下串動(dòng)，造成這種護(hù)理的作用效果不太理想。本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可以有效解決此現(xiàn)狀，為老年人生活提供更多幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]蒲良貴.機(jī)械設(shè)計(jì).第九版.北京.高等教育出版社2013.5

[2]陳作模.機(jī)械原理.第八版.北京.高等教育出版社2014.12

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).第五版.北京.化學(xué)工業(yè)出版社.2008.5

[4]馬越、丁浩.人行走過程中膝關(guān)節(jié)角度特征研究.刑事技術(shù).2019

[5]詹荔瓊、韓瓊.不同年齡人群行走時(shí)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的研究.中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志.2018