外骨骼在康复训练中的应用设计

金晓明

摘 要：本次研究中，采用电机驱动方式，通过无线控制系统来实现对测试者的控制，可以保证测试者的直立行走，符合人体生理结构，因此，希望通过文章的研究，可以为截瘫患者的康复训练带来希望。

关键词：截瘫患者；康复训练；驱动外骨骼

中图分类号：R684 文献标志码：A 文章编号：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，大部分外骨骼属于关节驱动，但是其售价以及使用寿命成为人们摒弃的重要因素[1]，因此，本文致力于研究足底轮式驱动外骨骼，以此来满足截瘫患者的使用需求，且改善患者的康复效果。

1 总体设计

本文采用机电设计以及降低自动化以及传感器的方式来提升患者的掌控能力。系统包括足底轮式驱动外骨骼以及无线控制肘拐两个组成部分。使用者需要保证具有上肢运动能力，且身高低于185cm，体重小于100公斤。另外，根据设计要求，外骨骼最大行走速度为2.1km/h。

2 外骨骼技术特征分析

2.1 机械结构设计

本次研究采用HKAF（臀部、膝盖、踝关节和脚）全下肢机械结构，其允许踝关节的运动，但是会在矢状面采用限制，通过该方法来解决踝关节外旋的问题。同时在外骨骼的设计中，对旋转角度进行机械限制，人体正常的踝关节背曲为15°，跖曲为10-20°。因此在设计过程中，外骨骼的胫骨设计可以在70mm的范围内进行调节。

外骨骼的材料设计采用钢条制作，以便承受患者的载荷，骨盆采用铝合金加工制作，根据人体的生理曲线来进行设计[2-3]。髋关节和踝关节采用铝合金制作，膝关节采用钢结构设计，另外对于整体设计，采用轻量的设计，且高强度的设计，以便可以减轻患者的负担。

2.2 驱动模块设计

在驱动模块的设计中，其属于系统的关键组成部分，其设计图如1所示。

从图中可以看出，机架的设计由6块铝合金钢板构成，可以对患者的身体进行支撑，并且可以满足移动的要求，在足底的驱动模块设计中，同样需要通过2个黏扣带来进行固定。在踝关节的固定方面，采用2个推力轴来进行连接，同时在本次设计过程中，在踝关节添加限位，在足后添加限位螺栓，保证整体的旋转角度控制在30°左右，另外，在踝关节加工8个螺纹孔，通过螺栓进行连接，可以实现70mm范围内的调节，可以适应不同身高的患者。

在对足底的设计中，采用2个轮子进行设计，前轮为辅助轮，后轮为驱动轮，设计尺寸通常是考虑的难题，其主要是由于外径、功率以及安全性均是考虑的重要因素。本次设计中，采用了外转子无刷电机，并且采用双极行星减速结构，电机的最高转速设计为150r/min，其整体速度可以达到2.1km/h，电机的功率为60W，电压为24V，行星减速器的首级和二级齿数相同，外齿圈、太阳齿和行星齿数分别为84，20和31齿。

2.3 无线肘拐系统及电源控制系统设计

肘拐的手柄采用铝合金制作，包括上壳、下壳和按键三个组成部分，上壳负责支撑患者的重量，并且镶嵌无线控制器；下壳覆盖无线控制器，且设计高台，以此来避免出现误碰的现象。在按键的设计方面，具有30°的斜坡，通过调节摇杆可以调节速度，对于按键的设计，可以在下壳内滑动和复位，手柄可以在导槽内根据患者的身高来调节高度。其如图2所示。

在电源控制系统中，其无线发射器是采用蓝牙无线传输模式，其型号为STM32F103，其电源为630mA×4.2V的锂电池。拨杆是控制外骨骼行进的重要器件，由电动机的转速决定拨杆的转角，在其处于零位时会刹车，无线接收器采用蓝牙模块，通过PWM调速，电机采用24V Hall驱动器，在检测到PWM信号后开始驱动，否则将会自动刹车。铝盒的尺寸为220*122*32mm，电线通过侧面与电机连接。

3 仪器实验

本次研究采用成年健康男性的使用情况进行分析，测试人员的身高为170cm，体重为60kg，身体机能良好。在实验过程中，對测试者采用红外摄像头进行步态分析，通过Vicon软件来处理数据。测试者首先在不穿戴外骨骼的情况下完成数据的收集，之后在穿戴外骨骼的情况下收集数据，测试者在完成穿戴后，解锁膝关节固定下肢，打开开关后站立锁定膝关节，穿戴时间约为3min左右。外骨骼虽然双脚不离地，但是具有肘拐的使用特点，因此，可以通过步态的方式来进行模拟实验。因此，本次研究采用三点步态的方式来进行分析。

本次研究中，采用踝关节标志点曲线的方式来计算，以此来确定步态的参数。其具体数据如表1所示。通过对跨步长、步速以及步频等数据的分析，发现测试者的步长达到要求，同时在速度的设计方面仅仅为0.58m/s，其可能是由于测试者训练时间相对较短，因而无法达到最佳的训练效果。另外，本次实验目标是截瘫患者，因此其安全性和速度仍然有待进一步研究。

4 结束语

本文采用电机作为驱动单元，通过肘拐无线控制方式来实现截瘫患者的行走设计。通过对技术方案的设计以及三维步态的分析，发现在穿戴外骨骼的过程中，符合正常人体运动需求，可以基本保证人体的行走。

参考文献：

[1]靳兴来，朱世强，张学群，等.液压驱动下肢助力外骨骼机器人膝关节结构设计及试验[J].农业工程学报，2017，33（05）：26-31.

[2]谢峥，王明江，黄武龙，等.一种行走辅助型下肢外骨骼的设计与实现[J].北京大学学报（自然科学版），2017，02（27）：1-2.

[3]曹志刚，叶晓东，王玉成，等.基于卡尔曼预测的外骨骼摆动腿随动控制研究[J].科学技术与工程，2016，16（29）：96-102.

[4]伍宏芳，王佳流，史腾达，等.下肢外骨骼助力装置设计[J].科技创新与应用，2014（09）：298-299.endprint