助老行走用膝关节保护装置设计研究

陈艳军 苑博 张学同 张成龙 朱俊涛

摘 要：老年人是一种弱势群体，在生活中有诸多不便。随着人口基数不断扩大，老年人也在不断增多，家庭生活压力的不断增长，年轻一辈很难时时刻刻照顾到老年人。而老年人也应该拥有自己充实的晚年生活，包括物质上和精神上，如可以经常去公园遛弯，或者去某些景区旅游等。然而现在越来越多的老年人都存在不同程度上的膝关节疼痛的病症，这对老年人的晚年生活带来了很大程度的影响，但是很多人年轻人甚至老年人本身却对膝关节疼痛不太了解，以为这是老年人会有的病痛，并没有加以重视。膝关节疼的确是很多老年人都会出现的现象，尤其是在上下楼梯时疼痛尤为明显，老年人膝盖疼痛的原因考虑三个方面，第一是本身由于年龄增大，钙质流失较多出现骨质疏松的问题引起的疼痛，第二是由于老年人身体机能下降出现关节退行性病变也是比较常见的问题。第三是由于存在关节的关节炎症损伤等问题。

关键词：助老行走;膝关节;保护;研究

一、设计的目的和意义

长久以来，老年人时常需要看护，需要经常到户外进行活动，尤其是行动不便的老人。有研究表明，约有5%～7%的老年人患有不同程度的骨关节炎、半月板损伤等膝盖疾病，这使得他们在家庭的生活中行动会受到限制，如自身身体状况的限制，社会关系的限制等。在此背景下，结合人性化设计思想，注重“以人为本”的设计理念，让社会更为广泛的关注到老年人等这类弱势群体，满足他们的生理及心理需求的呼声越来越高。通过实地调研，对老年人的生活观察，以及对诸多家庭的调研，老人与子女都迫切的希望在这个问题上得到解决方案，既达到不让家人担心的同时，又能达到在老人生活自理的目的。因此，从人机工程学，设计心理学等相关设计角度对目前生活中保护膝盖类设备的造型特点、功能需求、发展趋势等进行深入的研究和分析，通过对比现有的此领域医疗器械的优缺点，结合老年人群体的生理分析，设计出一款更符合他们使用的减缓膝关节疼痛的产品的需求应运而生，以此去改善老年人的生活需求、生活品质，降低家庭生活的压力。使他们的生活更加舒适安全。

二、工作原理

本产品由两组相对简单的平面四杆机构组合而成，利用人行走过程中脚掌与腿部的角度变化，将地面对脚部和小腿的支持力传递到大腿部位，已达到减少行走过程中体重对膝盖的压力、减缓疼痛的目的。同时结合仿生学常识，在大腿及小腿滑道处的结构设计完全符合人行走时各关节之间的运动规律，不会带来任何反作用力。

2.1 工作原理简介

要想达到缓解老年人行走过程中膝盖疼痛的问题，至少需要解决以下几个问题：

（1）要有对腿部的支撑机构和力的传递结构，且结构越简单越好;

（2）必须要有一定的位移量，用来抵消因皮肤弹性造成的护具固定后仍不可避免的上下串动，做到对大腿部位的持续用力;

（3）在人行走的整个过程中，弹簧不能违背人体行走的习惯，起任何反作用效果。

针对以上三点要求，设计了如图1所示的平面连杆机构：

该装置的工作原理如下：

（1）脚掌、杆1、滑块1和小腿护具滑道构成了一个曲柄滑块结构，当小腿与脚掌角度变化时（迈步）时，滑块1便通过弹簧对小腿护具有一个向上的作用力;

（2）膝盖三角板上沿、杆3、滑块2和大腿护具滑道构成了第二个曲柄滑块结构，动力来源于杆2的支撑力，当大腿和脚掌角度变化（迈步）时，滑块2便通过弹簧对大腿护具有一个向上的作用力;

（3）可以通过调节杆1、杆2和杆3的长度改变两个滑块的行程，同时通过调整两个弹簧的刚度来改变装置对大腿的支撑力，一达到对使用者最佳的使用效果;

（4）由于滑块沿滑块方向有较大的位移，故可以平衡掉因为皮肤弹性造成的护具传动，做到设备对腿部的持续用力;

（5）选择好弹簧的平衡位置（初始长度），可以做到在腿部受力时弹簧被压缩，用于缓解膝盖疼痛，而在不受力时一直保持松开状态，不产生任何的反作用力。

2.2 行走时各关节角度变化分析

人在行走时各关节的角度变化程一定的規律性，但该规律却受到很多因素的影响而显示出多种变化。根据参考文献4、5的研究成果，同时考虑在一定程度上简化模型，便得到了三个环节中各关节的角度变化规律。且本篇文章所进行的结构设计和计算均以此为依据。

（1）小腿与脚掌的角度变化，在正常行走或在各种动作下的变化都不大，基本在80°～100°之间循环，即：前脚刚着地时角度约80°，此时腿部刚开始受力，并逐渐增大，当角度增大到100°时受力达到最大，此时过后便开始抬起脚跟，角度又开始变小。当腿部悬空向前迈出时，小腿与脚掌基本垂直，且保持放松状态，指导前脚再次着地，进行下次循环;

（2）与小腿较小的角度变化相比，大腿与脚面的角度变化比较明显。在正常行走过程中，当前脚伸出准备用力时，此时角度约为75°，并开始用力，当角度约为95°时受力结束，此时脚跟抬起，整个腿部向前迈出。此时角度迅速变小，直至75°时进行下一各循环;

（3）当进行上下台阶的动作时，大腿与见面基本呈45°，而当坐下时，角度约为0°，此时在结构设计时需要较大的空行程，但原理类似，因此本文只做45°时的结构设计。

结束语：在现有的老年人康复器材中，对膝盖部位的护理主要是护膝和关节固定两种，护膝的作用主要是是防止意外挫伤，关节固定主要针对有骨骼损伤的患者，现在尚缺乏一种专门针对膝盖疼痛的医疗设备。极个别能看到的也就是在大腿和小腿上绑住护具，在护具之间有一个铰点，可以在一定程度上稍有缓解。但因为皮肤有弹性，护具绑住之后不可避免的会有上下串动，造成这种护理的作用效果不太理想。本产品的设计可以有效解决此现状，为老年人生活提供更多帮助。

参考文献：

[1]蒲良贵.机械设计.第九版.北京.高等教育出版社2013.5

[2]陈作模.机械原理.第八版.北京.高等教育出版社2014.12

[3]成大先.机械设计手册.第五版.北京.化学工业出版社.2008.5

[4]马越、丁浩.人行走过程中膝关节角度特征研究.刑事技术.2019

[5]詹荔琼、韩琼.不同年龄人群行走时膝关节稳定性的研究.中国康复医学杂志.2018