基于TRIZ和ANSYS的老年人外骨骼助行器足底踏板设计

郑 昊，李 婕，王 睿，张思睿，崔志强,赵 玮

(1.承德石油高等专科学校 a.电气与电子工程系；b.机械工程系，河北 承德 067000；2.湖北工业大学 工业设计学院，湖北 武汉 430068)

外骨骼式老年人助行器是一种生物-机械-电子装置，穿戴在老年人腿上可以帮助老年人重新站立行走，恢复运动能力和生活能力，促进血液循环，防止肌肉萎缩。人体助力外骨骼主要分为强化助动外骨骼和被动牵引外骨骼。国内外的外骨骼技术已发展到一定阶段，美国和日本起步较早。目前的外骨骼式助行器主要是靠安装于髋关节与膝关节处的电机驱动做屈伸运动，从而帮助人们完成行走动作，需靠电池提供动力，而踝关节则是被动结构或只有一个自由度。其主要针对人群为下肢障碍的残疾人，目的是辅助其矫正步态直至独立行走。在外骨骼助行器的发展中，研究者们通常注重通过改变结构、传感器布置、驱动方式以及控制策略来达到腿部屈伸的动力实现，忽略了老年人这一特殊人群的生理特点。专为老年人设计的外骨骼式助行器少之又少，如韩国西江大学的外骨骼机器人、日本东北大学研制的Wearable Walking Helper、日本立命馆大学研发的eXoskeleton Robot还有中国江苏南通大学陈峰副教授设计的Walking Power Assist Leg专门提到了老年人这个受众群体。正是由于老年人身体状况特殊，更需要专门为其提供适于他们使用的外骨骼助行器。针对以上问题，在对老年人行走问题进行分析后，对被动牵引外骨骼机器人的结构进行再思考，提出了一种可减轻老年人穿戴助行器运动时足部疲劳的优化设计，使外骨骼式助行器更加符合老年人的需求。

1 问题分析

1.1 老年人运动机能变化

肌力流失和肌肉疲劳会导致老年人运动机能变化，研究显示，40岁后肌肉质量平均每十年降低5%，65岁后流失速度加快。

1.2 老年人运动特征

陈勇[1]等人利用Motion Analysis三维动作捕捉分析系统记录步态数据，并用SPSS19.0软件分析测试对象的步态参数，得出：不论男性女性，随年龄增长，下肢功能下降，脚掌着地动作缓慢，步长缩短，步态周期增大，单足支撑时间增长，增加了老年人足部疲劳度。

1.3 老年人足部特征

老年人足部易发生形变，主要为前掌和足弓形变，大多数老年人足弓部位下塌，触地面积增大，冲量显著增加，小腿肌群参与活动单位数量较年轻人多，耗能多，小腿易产生疲劳，传递到足部的力量减少，导致足部易疲劳，更有甚者会产生足部疼痛，这对老年人的流动性和健康状况有显著的不利影响[2]。

综上所述，老年人与残疾人的病理不同，影响其正常走路的主要原因在足部。脚是高度专业化的，受体分布主要是在脚与地面接触的部分，结构/位置的变化会影响功能，而目前所有的外骨骼式助行器在设计时都忽略了足底踏板的人机工程学，不能真正的解决老年人行走的问题，从老年人运动功能衰减的根本原因入手，应着力于改善老年人足部疲劳度[3]。

2 老年人助行器理想方案的获取

2.1 IFR最终理想解

IFR是科学研究中的创造性思维方法，在解决问题初期，忽略所有客观的限制条件，理想化定义问题，从而得到最终理想解，它是TRIZ理论的经典理论体系之一，也是TRIZ的终极目标。用IFR来分析问题，会得到截然不同的创新设计方案[4]。

2.2 老年人助行器设计中IFR的确定

按照IFR分析和解决的6个步骤获取理想解决方案。1)设计的最终目的：使外骨骼式助行器更好的为老年人进行服务。2)IFR：得到符合老年人体需求的外骨骼式助行器。3)达到IFR的障碍：老年人体特征，足部变化，下肢肌肉障碍，无力支配双腿。4)出现这种障碍的结果：足部易疲劳，失衡。5)不出现这种障碍的条件：有一个合理的结构可与老年人足部耦合，弥补老年人足部形变，提供合理的足部物理支撑，从而改善老年人行走时足部的受力。6)创造无障碍条件的可用资源：老年人助行器足底踏板的结构、老年人。

解决方案：对传统的外骨骼助行器的足部踏板进行再设计，使老年人在行走过程中足部与足底踏板相耦合，足底受到合理的力度支撑，前行时，足部的疲劳度得到改善。这里解决问题的资源是老年人助行器足底踏板的结构。TRIZ理论的目标是完全解决冲突，获得IFR，当前老年人助行器存在的主要冲突是技术冲突。

2.3 技术冲突的解决方式

查询通用技术参数，分析可得技术系统中“应力/压力”和“形状”构成一对技术冲突。传统的老年人助行器的足部踏板形状简单但恶化了接触部位的应力/压力。利用冲突矩阵，并应用增加不对称性原理，得到最终解决方案：通过增强不对称物体的不对称度实现应力/压力改善。

2.4 外骨骼式老年人助行器方案

人体足弓正常状态下步行运动时，承担重量的主要是跟骨、第1、5跖骨及拇指趾骨，足弓吸收部分压力，保持身体平衡。通过足底压力结果分析可得，老年人由于足部发生形变，拇指部位压力减小，前掌第2、3跖骨部位峰值压力过大，足外侧压力增大，足部受力不平衡，易跌倒[5]。足底压力分区如图1所示。

外骨骼技术在老年人辅助行走装置中的应用使老年人肌肉活力得到改善，可提高老年人自理能力，其机械设计须匹配老人下肢特点，从而提高老年人在穿戴过程中的舒适性。新型的外骨骼式老年人助行器在保证整体强度牢固性的前提下，将传统外骨骼式助行器的设计中加入了人机工程设计思想，足底踏板的设计不仅对人体足部产生有效的物理支撑，同时减少了对膝关节的损害，缓解了老年人在穿戴外骨骼式助行器行走过程中的足部疲劳度[6]。

经调查结果显示，老年人扁平足占比89%，老年男性拇趾外翻0～15°占比47%，老年男性脚长255 mm占比最大，拇趾外突点长232 mm左右，第5脚趾端点长214 mm左右，第5脚趾突点长200 mm左右，第1跖趾突点长183 mm左右，第5跖趾突出点长163 mm左右，跗骨突点长132 mm左右，踵心部位长46 mm左右,基本宽度为104 mm左右，跖趾直宽94 mm左右，第1跖趾里段宽48 mm左右，第5跖趾外段宽55 mm左右，腰窝外段宽46 mm左右，踵心部位全宽 71 mm 左右[7]。根据以上数据绘制足部轮廓线如图2所示。

比较建模法提出用Rhino软件进行足板建模，优势在于能够很流畅且方便的捕捉到关键点，以及对线进行编辑[8]。根据以上数据，应用Rhino软件建立足底踏板结构模型。得到：

方案一：使可承受压力的部分受力，如图3所示。

方案二：使承受压力弱的部分分摊一部分力，如图4所示。

3 外骨骼式老年人助行器人机仿真

ANSYS Workbench是对ANSYS经典版的继承和发展，作为通用的计算辅助软件，计算精度获得了相关领域的认可，具有集成度高、易操作等优点[9]。对方案一、二两种优化改进方案进行有限元分析计算，得到老年人助行器足底踏板结构模型应力分布云图，对比分析，确定结构优化改进方案。

3.1 导入模型

启动ANSYS Workbench软件将建立好的Rhino三维模型导入到Static Structural环境下，默认材料为结构钢[10]。

3.2 划分网格

在ANSYS Workbench软件中的Model工具模块中，全部选中先前导入的足底踏板结构模型，进行网格的划分，网格尺寸控制为60，其他参数保持不变，生成网格，如图5所示。

3.3 施加约束与载荷

选择足底踏板的底面作为固定端，另一端作为自由端施加载荷。和地面接触部分可看做固定不动，与足部接触的一面受到人自身重量的作用，设置施加载荷618 N。

3.4 添加求解项并求解

进入ANSYS Workbench下的Solution模块，选择正应力(Normal)计算模块，对足底踏板结构进行强度计算，正应力结果如图6所示。

根据应力云图分析得出，方案一较方案二更加理想。通过改变足部踏板的结构来均匀分担足部的压力，能够有效缓解足部应力集中现象，可提高老年人对下肢运动体验的满意度，从而提高他们的运动性能。

4 结语

外骨骼足底踏板的设计符合老年人体需求，可改善老年人行走时的足部疲劳度，方便老年人对于外骨骼助行器装置的使用，使老年人运动更加健康。由于研究区域有限，还有很多方面需要更深入的探析，后续研究可从其他不同结构或不同凹凸系数的相同结构展开。