外骨骼在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用設(shè)計

金曉明

摘 要：本次研究中，采用電機驅(qū)動方式，通過無線控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對測試者的控制，可以保證測試者的直立行走，符合人體生理結(jié)構(gòu)，因此，希望通過文章的研究，可以為截癱患者的康復(fù)訓(xùn)練帶來希望。

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

中圖分類號：R684 文獻標志碼：A 文章編號：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，但是其售價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)動外骨骼，以此來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

本文采用機電設(shè)計以及降低自動化以及傳感器的方式來提升患者的掌控能力。系統(tǒng)包括足底輪式驅(qū)動外骨骼以及無線控制肘拐兩個組成部分。使用者需要保證具有上肢運動能力，且身高低于185cm，體重小于100公斤。另外，根據(jù)設(shè)計要求，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 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次研究采用HKAF（臀部、膝蓋、踝關(guān)節(jié)和腳）全下肢機械結(jié)構(gòu)，其允許踝關(guān)節(jié)的運動，但是會在矢狀面采用限制，通過該方法來解決踝關(guān)節(jié)外旋的問題。同時在外骨骼的設(shè)計中，對旋轉(zhuǎn)角度進行機械限制，人體正常的踝關(guān)節(jié)背曲為15°，跖曲為10-20°。因此在設(shè)計過程中，外骨骼的脛骨設(shè)計可以在70mm的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。

外骨骼的材料設(shè)計采用鋼條制作，以便承受患者的載荷，骨盆采用鋁合金加工制作，根據(jù)人體的生理曲線來進行設(shè)計[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，另外對于整體設(shè)計，采用輕量的設(shè)計，且高強度的設(shè)計，以便可以減輕患者的負擔(dān)。

2.2 驅(qū)動模塊設(shè)計

在驅(qū)動模塊的設(shè)計中，其屬于系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其設(shè)計圖如1所示。

從圖中可以看出，機架的設(shè)計由6塊鋁合金鋼板構(gòu)成，可以對患者的身體進行支撐，并且可以滿足移動的要求，在足底的驅(qū)動模塊設(shè)計中，同樣需要通過2個黏扣帶來進行固定。在踝關(guān)節(jié)的固定方面，采用2個推力軸來進行連接，同時在本次設(shè)計過程中，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個螺紋孔，通過螺栓進行連接，可以實現(xiàn)70mm范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，可以適應(yīng)不同身高的患者。

在對足底的設(shè)計中，采用2個輪子進行設(shè)計，前輪為輔助輪，后輪為驅(qū)動輪，設(shè)計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)計中，采用了外轉(zhuǎn)子無刷電機，并且采用雙極行星減速結(jié)構(gòu)，電機的最高轉(zhuǎn)速設(shè)計為150r/min，其整體速度可以達到2.1km/h，電機的功率為60W，電壓為24V，行星減速器的首級和二級齒數(shù)相同，外齒圈、太陽齒和行星齒數(shù)分別為84，20和31齒。

2.3 無線肘拐系統(tǒng)及電源控制系統(tǒng)設(shè)計

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

在電源控制系統(tǒng)中，其無線發(fā)射器是采用藍牙無線傳輸模式，其型號為STM32F103，其電源為630mA×4.2V的鋰電池。撥桿是控制外骨骼行進的重要器件，由電動機的轉(zhuǎn)速決定撥桿的轉(zhuǎn)角，在其處于零位時會剎車，無線接收器采用藍牙模塊，通過PWM調(diào)速，電機采用24V Hall驅(qū)動器，在檢測到PWM信號后開始驅(qū)動，否則將會自動剎車。鋁盒的尺寸為220*122*32mm，電線通過側(cè)面與電機連接。

3 儀器實驗

本次研究采用成年健康男性的使用情況進行分析，測試人員的身高為170cm，體重為60kg，身體機能良好。在實驗過程中，對測試者采用紅外攝像頭進行步態(tài)分析，通過Vicon軟件來處理數(shù)據(jù)。測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)，測試者在完成穿戴后，解鎖膝關(guān)節(jié)固定下肢，打開開關(guān)后站立鎖定膝關(guān)節(jié)，穿戴時間約為3min左右。外骨骼雖然雙腳不離地，但是具有肘拐的使用特點，因此，可以通過步態(tài)的方式來進行模擬實驗。因此，本次研究采用三點步態(tài)的方式來進行分析。

本次研究中，采用踝關(guān)節(jié)標志點曲線的方式來計算，以此來確定步態(tài)的參數(shù)。其具體數(shù)據(jù)如表1所示。通過對跨步長、步速以及步頻等數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)測試者的步長達到要求，同時在速度的設(shè)計方面僅僅為0.58m/s，其可能是由于測試者訓(xùn)練時間相對較短，因而無法達到最佳的訓(xùn)練效果。另外，本次實驗?zāi)繕耸墙匕c患者，因此其安全性和速度仍然有待進一步研究。

4 結(jié)束語

本文采用電機作為驅(qū)動單元，通過肘拐無線控制方式來實現(xiàn)截癱患者的行走設(shè)計。通過對技術(shù)方案的設(shè)計以及三維步態(tài)的分析，發(fā)現(xiàn)在穿戴外骨骼的過程中，符合正常人體運動需求，可以基本保證人體的行走。

參考文獻：

[1]靳興來，朱世強，張學(xué)群，等.液壓驅(qū)動下肢助力外骨骼機器人膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計及試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，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)計與實現(xiàn)[J].北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，02（27）：1-2.

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