下肢活動輔助器設計與制作＊

鄧云桂，賀菊香，向孝勇

（1.懷化學院，湖南 懷化 418000；2.懷化市第二人民醫院，湖南 懷化 418000）

1 設計背景

目前，因腦血管意外、腦外傷、腦腫瘤和其他疾病導致單側或雙側下肢活動功能障礙患者要恢復日常的行走、下蹲、起立和站立等活動是比較困難的。究其原因主要是癱瘓下肢上抬無力、足背伸跖屈無力和站立時膝關節無力支撐（即膝關節無法維持伸直狀態），下蹲和起立困難是下肢伸肌張力不夠，遠端完全癱瘓患者后期下肢保持伸直張力狀態可以用于支撐但依然是上提乏力。

現有的下肢功能鍛煉輔助器不能滿足這些要求和使用不便，電助力外骨骼系統則復雜昂貴，同時受電池電量影響。為了克服癱瘓下肢上抬無力、足背伸跖屈無力、站立時膝關節無力支撐和下肢伸肌張力不夠導致的下蹲和起立動作困難，本裝置提供一種癱瘓下肢簡易輔助活動器械。該輔助器不僅能幫助患者輕松地抬起下肢、幫助穩定踝關節和膝關節，還能幫助患者完成下蹲和起立等動作。

2 設計方案

下肢活動輔助器所采用的技術方案是：做一個弧形支撐板，中部有腰帶可以系在人體腰背部，其兩側下端是向前下方伸出的臂，兩臂在支撐板背面可調寬窄，兩臂外側連接達髖關節部位的關節結構（此處機械關節且稱之為助髖關節，以下機械部位稱法類同），該助髖關節又連接于助大腿桿。助小腿桿上下分別通過助膝關節和助踝關節活動式連接助大腿桿和足底板，其中的連接處可根據需要調整長短。在助大腿桿上下端分別有用于將助大腿桿和大腿固定在一起的固定帶，在大腿桿中有張力可調的彈簧結構，通過鋼繩來牽拉助大腿桿向前上運動。當該彈簧力量調到與癱瘓下肢重力相等的時候，患者只需用殘余的微弱肌力就可以抬起下肢和落下患肢。在助小腿桿上下端分別有用于將助小腿桿和小腿固定在一起的固定帶，在助小腿桿中有張力可調的2組彈簧結構，通過鋼繩來產生牽拉張力，一組（權稱甲組）牽拉助小腿桿向前運動以保持膝關節一定的張力，當患肢膝關節不能支撐的時候可以調大張力，以保持膝關節呈伸直狀態；另外一組（權稱乙組）則當小腿彎曲達到30°以后才開始工作，通過調節該組彈簧張力到合適的大小，當患者下蹲或起立的時候，助大腿桿和助小腿桿由彈簧產生相當的張力，幫助患者完成緩慢下蹲或起立動作。這2組彈簧是在同一根鋼繩的不同部位發力，甲組彈簧是小張力彈簧，既有維持鋼繩保持張力狀態的作用，又有維持膝關節在0°～30°范圍內張力的作用。

在足底板前后端分別有用于將足底板和足部固定在一起的固定帶，足底板與助踝關節前后分別有同等張力彈簧壓制，使足底板始終保持與小腿桿呈垂直狀態，但也可以適當背伸和跖屈（±15°）。活動式的助髖關節、助膝關節和助踝關節只能在限定的范圍內前后（或稱為上下）方向旋轉移動，但無法左右移動。整體結構圖見圖1.

3 制作過程

3.1 背部支撐板連接

背部支撐板與助髖關節連接，助髖關節下端與助大腿桿連接，助大腿桿下端與助膝關節連接，助膝關節下端與助小腿桿連接，助小腿桿下端與助踝關節連接，助踝關節下端與足底板連接，所有連接端都可以延長或縮短，以適應不同患者肢體長度的要求。其中，腰帶可將背部支撐板固定于患者腰背部，多個固定帶可以分別將助大腿桿固定于患者大腿外側、助小腿桿固定于患者小腿外側和將足底板固定于患者足部下部。背部支撐板用熱變形材料做成與患者背部弧度一致的弧形，但它后下方的背部固定板不可變形，并通過它與“L”型連接桿和助髖關節上板間的連接完成與助髖關節的連接。

3.2 助髖關節連接

助髖關節上板位于助大腿桿上端和助髖關節護板之間，形成可旋轉助髖關節結構；大腿部拉力鋼繩起于位于助大腿桿中間的大彈簧盒子內的大彈簧下端，向上通過助大腿桿內定滑輪后行走于助髖關節上板的助髖關節鋼繩槽內，并止于其助髖關節鋼繩固定點。

當助髖關節上板向后下方彎曲的時候，則大腿部拉力鋼繩拉動大彈簧盒子內的大彈簧下端向上移動，大彈簧則產生對抗牽引力，牽引力的大小則由位于助大腿桿中間的大彈簧盒子下面的彈簧張力調節盒子來調節。

圖1 下肢活動輔助器整體結構圖

3.3 助膝關節連接

助膝關節上板圓形部位于助小腿桿上部和助膝關節護板之間，形成可旋轉助膝關節結構；小腿部拉力鋼繩起于位于助小腿桿內大彈簧盒子的大彈簧下端，向上通過助小腿桿內2號定滑輪轉向后向下行走，又通過助小腿桿內動滑輪向上行走，再通過小腿桿內1號定滑輪轉向后行走于助膝關節上板的助膝關節鋼繩槽內，并止于其助膝關節鋼繩固定點；助小腿桿內動滑輪連接于位于助小腿桿內小彈簧盒子的助小腿桿內動滑輪拉力鋼繩下端，助小腿桿內動滑輪只可在其內上下移動到固定的頂部和底部，其長度相當于助膝關節彎曲0°～30°的鋼繩行程；在小彈簧盒子的下面有彈簧張力調節盒子，通過連接于小彈簧盒子內小彈簧上端的彈簧拉力調節鋼繩調節小彈簧的拉力；在大彈簧盒子下面的彈簧張力調節盒子亦通過連接于大彈簧盒子內大彈簧上端的彈簧拉力調節鋼繩調節大彈簧的拉力。

小彈簧拉力可保持小腿部拉力鋼繩處于緊張狀態，并可在助膝關節彎曲30°以前產生對抗張力，當膝關節彎曲達到30°以后，動滑輪到達頂端不能再向上移動，此后小腿部拉力鋼繩則通過向上拉動大彈簧產生移動，大彈簧亦產生更大張力對抗助膝關節的彎曲；反之，當助膝關節由大于30°的彎曲狀態轉為伸直狀態的時候，首先是大彈簧復位到底部，然后是動滑輪由頂部降到底部。

3.4 助踝關節連接

助踝關節上板（“T”型臂）中下部位于助踝關節下板和助踝關節護板之間，形成可旋轉助踝關節結構；助踝關節下板與足部固定板按患者踝部高度固定連接，然后將與助踝關節上板（“T”型臂）前臂和后臂通過踝部彈簧可旋轉式活動連接的限位螺帽筒旋轉到對應垂直限位螺桿，使前后踝部彈簧達到需要的張力位置時再擰緊限位螺帽，使限位螺帽筒相對固定不再可旋轉；患者足部用通過內側擋板、后擋板、外側擋板和前擋板孔的固定帶固定于足底板。

3.5 控制閥連接

上、下控制閥分別通過上、下控制閥軸連接在彈簧張力調節盒子外殼內側對應的角上，并通過彈簧使它們壓向中間部位，上、下控制閥外側支均與卷鋼繩盤的齒輪內側半接觸，并先后（每1/8圈交換）獨立控制卷鋼繩盤，使其不能負向旋轉，上、下控制閥內側支則均與松解輪齒輪外側半接觸；通過卷鋼繩盤的鋼繩固定槽將彈簧拉力調節鋼繩起端固定在卷鋼繩盤的盤中間位置；外側牽引盤和內側牽引盤均固定在主軸上與主軸同步旋轉；外側牽引盤的內部牽引支與卷鋼繩盤的齒輪外側半接觸。

當外側牽引盤正向旋轉時，通過其內部牽引支帶動卷鋼繩盤隨動正向旋轉并將彈簧拉力調節鋼繩轉入旋轉盤內；當外側牽引盤負向旋轉旋轉時，則不能帶動卷鋼繩盤隨動旋轉。內側牽引盤的內部牽引支與松解輪齒輪內側半接觸，當內側牽引盤負向旋轉時，通過其內部牽引支帶動松解輪齒輪隨動負向旋轉并先后（每1/8圈交換）頂起或放下上控制閥內側支（或下控制閥內側支），控制閥外側支則與同閥內側支同步被頂起或放下；當內側牽引盤正向旋轉時，其內部牽引支則不能帶動松解輪齒輪隨動旋轉；當彈簧拉力調節鋼繩已經轉入旋轉盤內時，必產生使卷鋼繩盤負向轉動的力，但受到上、下控制閥外側支阻止，負向旋轉主軸旋轉盤則通過主軸傳遞到內側牽引盤，使其牽引支帶動松解輪齒輪負向旋轉而先后頂起和放下（每1/8圈交換）上、下控制閥內側支，上、下控制閥外側支亦被依次頂起和放下，卷鋼繩盤則依次得到松解，每次可回退（負向旋轉）1/8圈，如此交替回退至卷鋼繩盤負向轉動力為零時卷鋼繩盤停止負向轉動。

4 總結

下肢活動輔助器是一種輔助下肢癱瘓患者完成行走、下蹲、起立和站立功能的下肢活動輔助器，也可以用于輔助下肢骨折和下肢癱瘓患者進行功能鍛煉。它是在背部支撐板兩側下端，助髖關節、助大腿桿、助膝關節、助小腿桿、助踝關節和足底板順序連接，關節部位通過連接在彈簧上的鋼繩來獲得關節彎曲時候對應的輔助力量，彈簧壓縮過程中的張力大小通過彈簧張力調節盒子來調節。該裝置的有益作用是幫助癱瘓下肢輕松向上抬起和落下，可以按需要保持膝關節適當的張力和維持踝關節的穩定，結構簡單，使用方便。