穿戴式老年人輔助行走裝備設計＊

余冰清，張曉雷

（武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070）

隨著社會的不斷發展進步，老齡化逐漸成為了中國越來越不可忽視的一個問題。從1999年起，中國步入了老齡化社會，聯合國預計2030—2050年，中國老齡化進程將加快，到2050年，老年人將占全國人口的1/51。

結合中國目前的老齡化現狀，可總結出中國人口老齡化呈現出老年人口基數大、增長速度快、高齡化程度明顯、老年患病率高等特點，這為中國的經濟、醫療、養老服務等領域皆帶來極大的挑戰，目前中國老年人群的健康問題和生活環境已成為全社會關注的焦點。與此同時，社會對為提高老年人的生活水平而設計的輔助設備的需求也逐漸增多。

其中解決老年人行走問題是保證老年人健康安全生活非常重要的一部分。老年人因體力下降、器官功能的退化、關節承受能力下降等原因，常常導致行走不便。

根據老年人生理和心理狀態以及中國老年人的現狀特點，將老年人劃分為以下4個年齡段：健康活躍期（60～64歲），自立自理期（64～74歲），行動緩慢期（75～84歲），照顧護理期（85歲以上）[1]。根據調查了解到60～80歲年齡段的人群運動機能衰退，大部分需要輔助行走。

此階段老年人日常行走基本無障礙，僅當行走的時間比較長或者參加運動時，可以選用一定合適的助行工具減輕長時間行走的疲勞，減輕關節的負重，減輕行走時對關節的磨損并減小在行走中跌倒的概率，避免產生更大傷害。

針對此現象，文中設計了一款穿戴式老年人協同行走裝備，本裝置目標人群是針對日常長時間運動會有一定困難，但基本可以自理的人群。該裝置設計了U型支架、七軸膝關節、彈簧助力機構和輔助平衡模塊。使用七軸膝關節鏈接支架，更好地擬合人體腿部運動，帶來更舒適的使用體驗；依據小腿肌肉正負功轉換與彈簧儲能元件的原理設計彈簧助力機構，分擔肌肉力量，從而減少收縮時所承受的代謝能力；輔助平衡模塊將阻尼桿和滑塊結合，使老人充分自由行走同時，也利用阻尼輔助老人維持身體平衡。

本裝置可增加老人走路時的平衡性，減輕關節負重，使老年人行走時更加省力和安全，增加了輔助平衡裝置，降低了老人因為腿部力量不足而摔倒的概率，改善老年人行走不便的問題。本裝置設計旨在對具有自然老化產生輕度運動障礙的老人進行行走輔助，延緩其運動機能衰退。

1 裝置整體設計

裝置整體包括U形支架、七軸膝關節、彈簧助力機構和輔助平衡模塊，如圖1所示。

圖1 整體裝置設計圖

其中U形支架包括底板和兩個支撐架，每一支撐架包括小腿支撐架和大腿支撐架，起支撐固定作用，小腿支撐架和大腿支撐架間通過七軸膝關節連接；輔助平衡模塊位于裝置前側，起防摔倒、輔助平衡的作用；彈簧助力機構位于裝置后側，助力老人行走。

2 七軸膝關節

目前市面上擁有的膝關節大致分為：①流體單軸式膝關節。這類膝關節是出現最早的膝關節，是由單個回轉軸組成的膝關節，由于它只有一個回轉軸，所以可以實現靈活的擺動，但是有一個最大的缺點是擺動期不穩定。②承重自鎖式膝關節。這種膝關節中配有制動塊，在腿伸直時，利用自身體重施加制動以防止膝關節彎曲。③多軸式膝關節。對于單軸式膝關節，小腿繞其轉動，轉動中心不變。但是，正常人膝關節的轉動并不是這樣的，正常人膝關節的運動是轉動加移動。為了更擬合正常人膝關節運動，研制出了具有可變瞬時轉動中心的多軸膝關節。這類膝關節由多軸連桿機構組成，其中最常見的是四軸連桿膝關節[2]。④流體控制式膝關節。其可以輸出與人體肌肉非常類似的非線性阻尼，兩種控制方式可以讓患者小腿的活動更加正常。

其中有一類多軸膝關節，其特殊之處在于它由七個軸、六根聯桿組成。其不僅具備多軸膝關節全部特點，而且從幾何學的角度確保了在人行走過程中，從一只腳足跟著地到另一只腳抬起的過程中膝關節能穩定固定，還可以很好地預防行走時膝關節屈曲導致患者摔倒。

綜上對所有市面上的所有的膝關節進行比較，并結合李寧等[3]對七軸膝關節運動時瞬心軌跡與人類運動時膝關節瞬心軌跡的比較結果，可知七軸膝關節的瞬心軌跡和人體膝關節的瞬心軌跡基本擬合，說明七軸膝關節能較好地模擬正常人膝關節瞬心軌跡，使裝置使用起來更加舒適方便，因此，在本裝置中小腿支撐架和大腿支撐架之間采用七軸膝關節連接。

3 彈簧助力機構

3.1 彈簧助力機構原理

人類在行走過程中，消耗代謝所產生的能量，這些能量一部分用來恢復已經消散的能量，例如軟組織的被動運動，但是最大部分的消耗是在肌肉上，肌肉消耗能量來做正功，按照能量守恒定律，他們也會使用代謝能量產生力并進行負功，這就增加了體重支撐、肌腱伸展、反沖時保持肌腱的代謝成本。

依據小腿肌肉正負功轉換與彈簧儲能元件的原理，可建立由離合器、彈簧彈性助力行走裝置，在運動過程中通過對裝置的連接和斷開來模擬人體運動，裝置主要由一個離合器和一個彈簧組成，它在走路時承擔了小腿肌肉和肌腱的一些功能，裝置與使用者的小腿肌肉平行，分擔肌肉力量，從而減少收縮時所承受的代謝能力。裝置示意及實物如圖2所示。

圖2 彈性離合器裝置示意及實物圖

當腳在地上時，踝關節運動使得裝置保持松弛，從而有助于肌肉收縮。當使用者抬腳時，允許腳在空中自由運動。

3.2 棘輪機構選取

關于離合器的結構，輪齒式棘輪機構結構簡單，棘輪轉角的大小可進行有級調節，但由于回程時棘爪在棘輪齒背上滑行，容易磨損，并產生噪音。另外，為使棘爪能順利嚙入棘輪輪齒間，棘爪的位移必須大于棘輪運動角的相應位移，這就存在空程并產生沖擊[4]。

摩擦式棘輪機構無上述缺點，且從動輪的轉角可實現無級調節，但由于接觸表面間易發生滑動，因而其運動的準確性和可靠性比輪齒式棘輪機構差[5]。不適用于高速或者運動精度高的場合，適用于低速輕載場合。

通過比較上述各類棘輪后，最終選取摩擦棘輪。摩擦棘輪的無級運動更加符合人體的運動，同時，選取性質優良的材料或涂層則可以減少棘輪與棘爪之間的相對滑動，提高精度。

3.3 彈簧助力工作流程

其中，棘爪與棘輪接觸部分有高阻力材料，以增大棘輪與棘爪之間的摩擦力，棘輪上纏繞有繩子，使用者正常使用時提供順時針的拉力，棘輪下方有發條彈簧始終提供逆時針的扭矩，保證離合器正常工作。彈簧拉動繩子使棘輪順時針旋轉時，在達到最大值之前，棘爪都為嚙合狀態，棘輪只可以順時針轉動，逆時針的轉矩會被摩擦力抵消，這就使得使用者的腳在空中可以自由運動，如圖3所示。當棘輪順時針旋轉達到最大值時，彈開楔塊會彈開棘爪，打破嚙合的狀態，此時，棘輪可以自由轉動，于是發條彈簧所提供的逆時針的扭矩會使棘輪逆時針旋轉，收回繩子，如圖4所示。當棘輪逆時針旋轉達到最大值時，棘輪的凸臺會彈回棘爪，使棘爪與棘輪嚙合，并以此循環。

圖3 棘爪與棘輪接觸摩擦

圖4 棘爪與棘輪楔塊彈開

4 輔助平衡模塊

在老人前行過程時，跨步伴隨身體前傾約占步態行走周期的40%，當處于擺動姿態時，小腿后部肌肉拉扯腳底形成反向力矩維持身體平衡，對于體力下降的老人不易長時間行走，會隨行走運動量增加而勞累，維持身體平衡的能力減弱。因此，在裝置前方設計輔助平衡裝置，在腳背上方的阻尼桿底端與腳底板成銳角固定，上端與滑塊形成的轉動副在行走的過程中滿足腳踝轉動自由度。最終阻尼桿與小腿、腳底板形成三角支撐，由阻尼桿受到壓力產生的反作用力加上老人小腿后內部肌肉收縮形成的合力抵消重心前移的水平分力。滑動的阻尼桿支撐人體小腿抵消身體前傾時重力的部分水平分力。阻尼桿-滑塊位置如圖5所示。

圖5 阻尼桿-滑塊位置示意圖

在無需阻尼支撐時，由滑塊行程內的滑動抵消腳踝的轉動帶來的機構位置變化，并保證了踝關節的自由度形成。隨小腿與腳底板的夾角減小，滑塊達到行程上線限，阻尼桿開始被人體前傾的重力勢能壓縮，由阻尼桿受到壓力產生的反作用力加上老人小腿后內部肌肉收縮形成的合力抵消重心偏移的分力，維持人體平衡。當阻尼器反作用力越大時，人體維持平衡所需要的小腿消耗也就越小，結果顯示老年人行走過程中前傾維持平衡需要的肌力減少，裝置可輔助衰老帶來的身體機能衰退，平衡控制能力下降時行走的穩定性。