一款智能減震坐立助行器的研制及應用方式

【作 者】 劉天明，于金良，顏聰，盛冶，張新蕾，金輝

1 哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院，哈爾濱市，150001

2 哈爾濱師范大學 美術學院，哈爾濱市，150088

0 引言

隨著人口老齡化的增長，老年人的健康問題已經成為學者們研究的熱點，醫(yī)療保健和康復產品的完善程度會嚴重影響老年人的幸福指數(shù)[1-2]，這推動市場上老年人康復的相關產品產業(yè)蓬勃發(fā)展。股骨骨折在內的下肢骨折[3]、腦卒中[4]等疾病在老年人中發(fā)病率較高，會導致下肢運動障礙，且這類疾病即使在藥物治療和手術治療后仍需康復鍛煉。所以一些康復器械[5]已經被發(fā)明且用于上述疾病患者的康復治療中。

在過去的幾年，多種類型的助行器[6-8]已經被設計和應用于腦卒中和運動功能障礙的患者康復訓練中，然而這些助行器多存在以下缺陷：需患者家屬或專業(yè)護理人員輔助方可安全使用，人工成本相對較高，很難滿足患者在日常生活中的輔助需求[9]；缺少獨立改變姿勢時對身體的重量支持，患者易因突然下坐產生巨大的沖量而引發(fā)下肢骨折現(xiàn)象。為改善這種狀況，我們采用電驅動的方式，設計了一款新型智能減震坐立助行器，有效規(guī)避中老年人群骨折風險，防止跌坐的發(fā)生，并安裝相關報警裝置增加其安全性。

1 助行器的基本結構

助行器主要由助行器主體、軟質臂托和減震座椅3部分構成，其中助行器主體為6061鋁合金支架，為可伸縮設計。主體的高度可調范圍為90～140 cm，減震底座的尺寸為45 cm×35 cm，軟質臂托的尺寸為60 cm×50 cm，其表面覆蓋抗氧化涂層以增加其耐用性。

助行器主體頂端設置軟質臂托，其結構為U形，且外部包有軟墊，軟質臂托一側設置一組L形把手，以供使用者握持。且L形把手上端設置有減速電機開關、變頻器開關及自主呼救按鈕，內部設置有心率監(jiān)測裝置。助行器支架靠近L形把手一側設置有萬向輪，另一側設置有防滑地墊，既方便推動前進，又增強穩(wěn)定性。

遠離L形把手一側的連接桿上設置減速電機，與減震座椅通過液壓桿連接。液壓桿頭部為球形鉸接結構，桿部可以伸縮，通過減速電機帶動液壓桿旋轉和伸縮進而帶動減震座椅翻轉。減震座椅為鋁合金座板，上覆起一定減震作用的海綿板，座椅與兩側滑塊連接，滑塊與平衡桿鉸接，且可沿平衡桿軸向滑動。減震座椅內部設置有控制器、全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）定位裝置和藍牙模塊，其中蓄電池與控制器連接，控制器的輸入端與GPS定位裝置、自主呼救裝置、心率監(jiān)測裝置連接，輸出端與藍牙模塊連接，藍牙模塊可以與使用者終端（手機）連接（見圖1）。

圖1 智能減震坐立助行器的外部設計結構Fig.1 External design structure of intelligent shock absorption sitting stand walker

2 助行器的工作原理及使用方法

助行器主體安裝有可伸縮支架，用于調整助行器高度適應不同身高的使用者。做康復訓練時，可以按動L形把手上的減速電機開關啟動減速電機，利用滑塊和減速電機將減震座椅調整至直立狀態(tài)；手扶L形把手，控制前進方向，推動助行器前行，與助行器支架形成維護結構，防止老人在站立時失去平衡發(fā)生翻倒而造成二次傷害；當需要從站立姿勢調整至坐立姿勢時，按動減速電機開關，利用減速電機帶動液壓桿，進而帶動減震座椅翻轉。可以根據(jù)身體狀況通過變頻器開關調整減震座椅翻轉的速度，通過電驅動的方式扶托使用者緩慢坐下，減輕對髖骨及脊柱的沖擊，從而預防跌坐，達到減震效果，有效規(guī)避中老年人群骨折風險，預防骨折（見圖2）。

圖2 智能減震坐立助行器的使用方法及工作原理Fig.2 Use method and working principle of intelligent shock absorption sitting and standing walker

3 助行器的優(yōu)勢性能

3.1 構造合理化

助行器支架設置凈重2.8 kg，抗拉強度205 MPa以上，屈服強度110 MPa以上，密度2.75 g/cm3，經過陽極氧化處理后，抗腐蝕性好，能經受160 kg以下的重量，對于老年人來說可安全使用。助行器安有U形軟質臂托結構，軟質臂托外設置有軟墊。軟質臂托采用符合人體力學的環(huán)形結構設計，可以在行走時提供大角度的柔軟舒適托扶，防止側面跌倒，在省力的同時更好地保持身體的平衡，為手部無力、行動不便的人群提供了有效防護。

助行器支架底部安裝萬向輪和防滑地墊，這和國內現(xiàn)有的一些助行器不同[10-11]。其中前腳為雙輪結構，后腳為雙防滑地墊結構，兼具省力與平穩(wěn)、不易摔倒的特性；防滑地墊經久耐用，可以增加摩擦力、加大耐磨性，達到安全、省力的目的。

3.2 設備智能安全

減震座椅內部設置蓄電池和變頻器，使用時通過減速電機帶動減震座椅翻轉托扶老人緩慢坐下，降低下坐沖量，防止骨折。座椅內部安裝GPS定位系統(tǒng)，可以實時記錄使用者當前所在位置及行走路線，GPS定位模塊可以采用市售產品。L形把手內部設置有心率監(jiān)測裝置，心率監(jiān)測裝置與控制器連接，使用者在抓握L形把手的時候進行心率監(jiān)測。心率監(jiān)測裝置的主要結構為發(fā)生器及光敏接收器，通過光電透射測量法，即心臟的規(guī)律跳動引起血液透光率的變化，將獲取的信息轉換為電信號，得到心率信息，這與目前市面上大部分智能手環(huán)檢測心率的方法一致，因此相關發(fā)生器及光敏接收器也可以選用市售裝置[12]。上述GPS定位信息及心率信息通過控制器傳出至藍牙模塊，藍牙模塊通過與使用者終端（手機）藍牙連接，將信息數(shù)據(jù)進行匯總和記錄，上傳至云端，進行實時監(jiān)控。使用者家屬可通過遠程終端，如使用配套專屬手機APP實時了解患者所在位置、行走路線及心率變化情況（見圖3）。

圖3 三種特異性裝置的工作原理Fig.3 Working principles of three specific devices

3.3 安裝報警監(jiān)測裝置

助行器L形把手上設置有自主呼救按鈕，與控制器連接。當使用者在使用的過程中感受到身體出現(xiàn)不適時，可以按動按鈕進行呼救，藍牙模塊將呼救信號傳輸至自身手機終端，再通過云端給患者家屬發(fā)送報警信號。同時，使用者家屬或陪護可通過GPS定位信息實時了解使用者當前所在位置，便于及時到達現(xiàn)場予以救助。

4 基于有限元方法對減震座椅的座位安全進行特性分析

為了驗證減震座椅的使用安全性，我們通過使用有限元軟件Abaqus 2021對減震座椅進行受力分析，驗證其安全性和易損壞的部位。

4.1 模型建立

減震座椅由鋁合金座板及海綿板等部位組成。其中，底部的鋁合金座板是主要受力構件。為了簡化有限元模型的計算量，提取鋁板進行單獨分析。鋁合金材料參數(shù)：密度2.75 g/cm3，彈性模量68.9 GPa，泊松比0.33，屈服強度110 MPa。

如圖4所示，鋁合金板下端采用鉸接方式與支架鏈接。鋁板中部通過球形鉸接結構與液壓桿連接。球鉸可以在空間內自由轉動。故在有限元建模過程中，約束方式參照實際受力模式，在板件下端粘接鋁合金滑塊，設置滑塊底面為鉸接；中部對圓形面施加鉸接約束，保留所有方向旋轉自由度，板上荷載取體重160 kg，均勻分布于中心矩形部位且方向指向板件厚度方向。

圖4 荷載、約束布置方式Fig.4 Load and restraint layout

4.2 結果

對鋁合金板應力分析可以看出，應力分布呈現(xiàn)左右對稱的分布狀態(tài)，壓應力主要分布在液壓桿和底部支撐之間，拉應力集中在中部液壓桿鉸支架附近。最大拉應力為55.6 MPa，最大壓應力為16.7 MPa，均遠小于鋁合金的屈服強度，故本設計為安全設計。

5 討論

康復訓練對于骨科、普通外科相關疾病以及神經系統(tǒng)疾病導致的下肢運動障礙尤為重要，已經逐步成為研究熱點，相關產業(yè)蓬勃發(fā)展[13-15]。助行器一般分為無動力式助行器、動力式助行器、功能電刺激助行器3類。其中無動力式助行器使用面最為廣泛，主要針對下半身肌肉力量弱、行走能力輕微受損的老年人或殘疾人而設計，然而普通的助行器設計簡單，不能為患者提供足夠的穩(wěn)定性，給其行走帶來極大的安全隱患。國內動力助行器產品尚處于初級階段，產品種類較少，使用普及率低。功能性電刺激助行器側重于治療，電刺激可幫助肌肉恢復活力，以改善患者的運動功能。然而，助行的范圍僅限于輕度中樞性偏癱，受用人群較局限，而且儀器價格昂貴，目前還未普及應用[16]。

因傳統(tǒng)助行器存在諸多局限，為給消費者更好的使用體驗，我們進行了改良，將坐立、托扶及減震的功能與智能電子技術融入其中，設計出一款新型智能減震坐立助行器。實現(xiàn)了高安全性能的智能坐立切換，既可以輔助康復鍛煉，又可以適當休息，預防使用者在站立或行走的過程中因無法保持平衡而摔倒，避免了更為嚴重的二次傷害和跌坐導致的骨折。結合科技手段，在產品上安裝GPS定位、心率監(jiān)護、報警等裝置，可以讓使用該助行器的患者及家屬更安心。除骨科外的其他外科手術術后恢復期的患者以及心腦血管疾病患者，也可應用此產品做康復訓練，增強運動能力。