助老行走用膝關節保護裝置設計研究

陳艷軍 苑博 張學同 張成龍 朱俊濤

摘 要：老年人是一種弱勢群體，在生活中有諸多不便。隨著人口基數不斷擴大，老年人也在不斷增多，家庭生活壓力的不斷增長，年輕一輩很難時時刻刻照顧到老年人。而老年人也應該擁有自己充實的晚年生活，包括物質上和精神上，如可以經常去公園遛彎，或者去某些景區旅游等。然而現在越來越多的老年人都存在不同程度上的膝關節疼痛的病癥，這對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膝關節疼痛不太了解，以為這是老年人會有的病痛，并沒有加以重視。膝關節疼的確是很多老年人都會出現的現象，尤其是在上下樓梯時疼痛尤為明顯，老年人膝蓋疼痛的原因考慮三個方面，第一是本身由于年齡增大，鈣質流失較多出現骨質疏松的問題引起的疼痛，第二是由于老年人身體機能下降出現關節退行性病變也是比較常見的問題。第三是由于存在關節的關節炎癥損傷等問題。

關鍵詞：助老行走;膝關節;保護;研究

一、設計的目的和意義

長久以來，老年人時常需要看護，需要經常到戶外進行活動，尤其是行動不便的老人。有研究表明，約有5%～7%的老年人患有不同程度的骨關節炎、半月板損傷等膝蓋疾病，這使得他們在家庭的生活中行動會受到限制，如自身身體狀況的限制，社會關系的限制等。在此背景下，結合人性化設計思想，注重“以人為本”的設計理念，讓社會更為廣泛的關注到老年人等這類弱勢群體，滿足他們的生理及心理需求的呼聲越來越高。通過實地調研，對老年人的生活觀察，以及對諸多家庭的調研，老人與子女都迫切的希望在這個問題上得到解決方案，既達到不讓家人擔心的同時，又能達到在老人生活自理的目的。因此，從人機工程學，設計心理學等相關設計角度對目前生活中保護膝蓋類設備的造型特點、功能需求、發展趨勢等進行深入的研究和分析，通過對比現有的此領域醫療器械的優缺點，結合老年人群體的生理分析，設計出一款更符合他們使用的減緩膝關節疼痛的產品的需求應運而生，以此去改善老年人的生活需求、生活品質，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

本產品由兩組相對簡單的平面四桿機構組合而成，利用人行走過程中腳掌與腿部的角度變化，將地面對腳部和小腿的支持力傳遞到大腿部位，已達到減少行走過程中體重對膝蓋的壓力、減緩疼痛的目的。同時結合仿生學常識，在大腿及小腿滑道處的結構設計完全符合人行走時各關節之間的運動規律，不會帶來任何反作用力。

2.1 工作原理簡介

要想達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問題：

（1）要有對腿部的支撐機構和力的傳遞結構，且結構越簡單越好;

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

（3）在人行走的整個過程中，彈簧不能違背人體行走的習慣，起任何反作用效果。

針對以上三點要求，設計了如圖1所示的平面連桿機構：

該裝置的工作原理如下：

（1）腳掌、桿1、滑塊1和小腿護具滑道構成了一個曲柄滑塊結構，當小腿與腳掌角度變化時（邁步）時，滑塊1便通過彈簧對小腿護具有一個向上的作用力;

（2）膝蓋三角板上沿、桿3、滑塊2和大腿護具滑道構成了第二個曲柄滑塊結構，動力來源于桿2的支撐力，當大腿和腳掌角度變化（邁步）時，滑塊2便通過彈簧對大腿護具有一個向上的作用力;

（3）可以通過調節桿1、桿2和桿3的長度改變兩個滑塊的行程，同時通過調整兩個彈簧的剛度來改變裝置對大腿的支撐力，一達到對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，故可以平衡掉因為皮膚彈性造成的護具傳動，做到設備對腿部的持續用力;

（5）選擇好彈簧的平衡位置（初始長度），可以做到在腿部受力時彈簧被壓縮，用于緩解膝蓋疼痛，而在不受力時一直保持松開狀態，不產生任何的反作用力。

2.2 行走時各關節角度變化分析

人在行走時各關節的角度變化程一定的規律性，但該規律卻受到很多因素的影響而顯示出多種變化。根據參考文獻4、5的研究成果，同時考慮在一定程度上簡化模型，便得到了三個環節中各關節的角度變化規律。且本篇文章所進行的結構設計和計算均以此為依據。

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

（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，當前腳伸出準備用力時，此時角度約為75°，并開始用力，當角度約為95°時受力結束，此時腳跟抬起，整個腿部向前邁出。此時角度迅速變小，直至75°時進行下一各循環;

（3）當進行上下臺階的動作時，大腿與見面基本呈45°，而當坐下時，角度約為0°，此時在結構設計時需要較大的空行程，但原理類似，因此本文只做45°時的結構設計。

結束語：在現有的老年人康復器材中，對膝蓋部位的護理主要是護膝和關節固定兩種，護膝的作用主要是是防止意外挫傷，關節固定主要針對有骨骼損傷的患者，現在尚缺乏一種專門針對膝蓋疼痛的醫療設備。極個別能看到的也就是在大腿和小腿上綁住護具，在護具之間有一個鉸點，可以在一定程度上稍有緩解。但因為皮膚有彈性，護具綁住之后不可避免的會有上下串動，造成這種護理的作用效果不太理想。本產品的設計可以有效解決此現狀，為老年人生活提供更多幫助。

參考文獻：

[1]蒲良貴.機械設計.第九版.北京.高等教育出版社2013.5

[2]陳作模.機械原理.第八版.北京.高等教育出版社2014.12

[3]成大先.機械設計手冊.第五版.北京.化學工業出版社.2008.5

[4]馬越、丁浩.人行走過程中膝關節角度特征研究.刑事技術.2019

[5]詹荔瓊、韓瓊.不同年齡人群行走時膝關節穩定性的研究.中國康復醫學雜志.2018