【作 者】 劉天明，于金良，顏聰，盛冶，張新蕾，金輝

1 哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，哈爾濱市，150001

2 哈爾濱師范大學(xué) 美術(shù)學(xué)院，哈爾濱市，150088

0 引言

隨著人口老齡化的增長(zhǎng)，老年人的健康問(wèn)題已經(jīng)成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，醫(yī)療保健和康復(fù)產(chǎn)品的完善程度會(huì)嚴(yán)重影響老年人的幸福指數(shù)[1-2]，這推動(dòng)市場(chǎng)上老年人康復(fù)的相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。股骨骨折在內(nèi)的下肢骨折[3]、腦卒中[4]等疾病在老年人中發(fā)病率較高，會(huì)導(dǎo)致下肢運(yùn)動(dòng)障礙，且這類疾病即使在藥物治療和手術(shù)治療后仍需康復(fù)鍛煉。所以一些康復(fù)器械[5]已經(jīng)被發(fā)明且用于上述疾病患者的康復(fù)治療中。

在過(guò)去的幾年，多種類型的助行器[6-8]已經(jīng)被設(shè)計(jì)和應(yīng)用于腦卒中和運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者康復(fù)訓(xùn)練中，然而這些助行器多存在以下缺陷：需患者家屬或?qū)I(yè)護(hù)理人員輔助方可安全使用，人工成本相對(duì)較高，很難滿足患者在日常生活中的輔助需求[9]；缺少獨(dú)立改變姿勢(shì)時(shí)對(duì)身體的重量支持，患者易因突然下坐產(chǎn)生巨大的沖量而引發(fā)下肢骨折現(xiàn)象。為改善這種狀況，我們采用電驅(qū)動(dòng)的方式，設(shè)計(jì)了一款新型智能減震坐立助行器，有效規(guī)避中老年人群骨折風(fēng)險(xiǎn)，防止跌坐的發(fā)生，并安裝相關(guān)報(bào)警裝置增加其安全性。

1 助行器的基本結(jié)構(gòu)

助行器主要由助行器主體、軟質(zhì)臂托和減震座椅3部分構(gòu)成，其中助行器主體為6061鋁合金支架，為可伸縮設(shè)計(jì)。主體的高度可調(diào)范圍為90～140 cm，減震底座的尺寸為45 cm×35 cm，軟質(zhì)臂托的尺寸為60 cm×50 cm，其表面覆蓋抗氧化涂層以增加其耐用性。

助行器主體頂端設(shè)置軟質(zhì)臂托，其結(jié)構(gòu)為U形，且外部包有軟墊，軟質(zhì)臂托一側(cè)設(shè)置一組L形把手，以供使用者握持。且L形把手上端設(shè)置有減速電機(jī)開關(guān)、變頻器開關(guān)及自主呼救按鈕，內(nèi)部設(shè)置有心率監(jiān)測(cè)裝置。助行器支架靠近L形把手一側(cè)設(shè)置有萬(wàn)向輪，另一側(cè)設(shè)置有防滑地墊，既方便推動(dòng)前進(jìn)，又增強(qiáng)穩(wěn)定性。

遠(yuǎn)離L形把手一側(cè)的連接桿上設(shè)置減速電機(jī)，與減震座椅通過(guò)液壓桿連接。液壓桿頭部為球形鉸接結(jié)構(gòu)，桿部可以伸縮，通過(guò)減速電機(jī)帶動(dòng)液壓桿旋轉(zhuǎn)和伸縮進(jìn)而帶動(dòng)減震座椅翻轉(zhuǎn)。減震座椅為鋁合金座板，上覆起一定減震作用的海綿板，座椅與兩側(cè)滑塊連接，滑塊與平衡桿鉸接，且可沿平衡桿軸向滑動(dòng)。減震座椅內(nèi)部設(shè)置有控制器、全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）定位裝置和藍(lán)牙模塊，其中蓄電池與控制器連接，控制器的輸入端與GPS定位裝置、自主呼救裝置、心率監(jiān)測(cè)裝置連接，輸出端與藍(lán)牙模塊連接，藍(lán)牙模塊可以與使用者終端（手機(jī)）連接（見圖1）。

圖1 智能減震坐立助行器的外部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.1 External design structure of intelligent shock absorption sitting stand walker

2 助行器的工作原理及使用方法

助行器主體安裝有可伸縮支架，用于調(diào)整助行器高度適應(yīng)不同身高的使用者。做康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，可以按動(dòng)L形把手上的減速電機(jī)開關(guān)啟動(dòng)減速電機(jī)，利用滑塊和減速電機(jī)將減震座椅調(diào)整至直立狀態(tài)；手扶L形把手，控制前進(jìn)方向，推動(dòng)助行器前行，與助行器支架形成維護(hù)結(jié)構(gòu)，防止老人在站立時(shí)失去平衡發(fā)生翻倒而造成二次傷害；當(dāng)需要從站立姿勢(shì)調(diào)整至坐立姿勢(shì)時(shí)，按動(dòng)減速電機(jī)開關(guān)，利用減速電機(jī)帶動(dòng)液壓桿，進(jìn)而帶動(dòng)減震座椅翻轉(zhuǎn)?？梢愿鶕?jù)身體狀況通過(guò)變頻器開關(guān)調(diào)整減震座椅翻轉(zhuǎn)的速度，通過(guò)電驅(qū)動(dòng)的方式扶托使用者緩慢坐下，減輕對(duì)髖骨及脊柱的沖擊，從而預(yù)防跌坐，達(dá)到減震效果，有效規(guī)避中老年人群骨折風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防骨折（見圖2）。

圖2 智能減震坐立助行器的使用方法及工作原理Fig.2 Use method and working principle of intelligent shock absorption sitting and standing walker

3 助行器的優(yōu)勢(shì)性能

3.1 構(gòu)造合理化

助行器支架設(shè)置凈重2.8 kg，抗拉強(qiáng)度205 MPa以上，屈服強(qiáng)度110 MPa以上，密度2.75 g/cm3，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理后，抗腐蝕性好，能經(jīng)受160 kg以下的重量，對(duì)于老年人來(lái)說(shuō)可安全使用。助行器安有U形軟質(zhì)臂托結(jié)構(gòu)，軟質(zhì)臂托外設(shè)置有軟墊。軟質(zhì)臂托采用符合人體力學(xué)的環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在行走時(shí)提供大角度的柔軟舒適托扶，防止側(cè)面跌倒，在省力的同時(shí)更好地保持身體的平衡，為手部無(wú)力、行動(dòng)不便的人群提供了有效防護(hù)。

助行器支架底部安裝萬(wàn)向輪和防滑地墊，這和國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的一些助行器不同[10-11]。其中前腳為雙輪結(jié)構(gòu)，后腳為雙防滑地墊結(jié)構(gòu)，兼具省力與平穩(wěn)、不易摔倒的特性；防滑地墊經(jīng)久耐用，可以增加摩擦力、加大耐磨性，達(dá)到安全、省力的目的。

3.2 設(shè)備智能安全

減震座椅內(nèi)部設(shè)置蓄電池和變頻器，使用時(shí)通過(guò)減速電機(jī)帶動(dòng)減震座椅翻轉(zhuǎn)托扶老人緩慢坐下，降低下坐沖量，防止骨折。座椅內(nèi)部安裝GPS定位系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)記錄使用者當(dāng)前所在位置及行走路線，GPS定位模塊可以采用市售產(chǎn)品。L形把手內(nèi)部設(shè)置有心率監(jiān)測(cè)裝置，心率監(jiān)測(cè)裝置與控制器連接，使用者在抓握L形把手的時(shí)候進(jìn)行心率監(jiān)測(cè)。心率監(jiān)測(cè)裝置的主要結(jié)構(gòu)為發(fā)生器及光敏接收器，通過(guò)光電透射測(cè)量法，即心臟的規(guī)律跳動(dòng)引起血液透光率的變化，將獲取的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，得到心率信息，這與目前市面上大部分智能手環(huán)檢測(cè)心率的方法一致，因此相關(guān)發(fā)生器及光敏接收器也可以選用市售裝置[12]。上述GPS定位信息及心率信息通過(guò)控制器傳出至藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊通過(guò)與使用者終端（手機(jī)）藍(lán)牙連接，將信息數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和記錄，上傳至云端，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。使用者家屬可通過(guò)遠(yuǎn)程終端，如使用配套專屬手機(jī)APP實(shí)時(shí)了解患者所在位置、行走路線及心率變化情況（見圖3）。

圖3 三種特異性裝置的工作原理Fig.3 Working principles of three specific devices

3.3 安裝報(bào)警監(jiān)測(cè)裝置

助行器L形把手上設(shè)置有自主呼救按鈕，與控制器連接。當(dāng)使用者在使用的過(guò)程中感受到身體出現(xiàn)不適時(shí)，可以按動(dòng)按鈕進(jìn)行呼救，藍(lán)牙模塊將呼救信號(hào)傳輸至自身手機(jī)終端，再通過(guò)云端給患者家屬發(fā)送報(bào)警信號(hào)。同時(shí)，使用者家屬或陪護(hù)可通過(guò)GPS定位信息實(shí)時(shí)了解使用者當(dāng)前所在位置，便于及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)予以救助。

4 基于有限元方法對(duì)減震座椅的座位安全進(jìn)行特性分析

為了驗(yàn)證減震座椅的使用安全性，我們通過(guò)使用有限元軟件Abaqus 2021對(duì)減震座椅進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證其安全性和易損壞的部位。

4.1 模型建立

減震座椅由鋁合金座板及海綿板等部位組成。其中，底部的鋁合金座板是主要受力構(gòu)件。為了簡(jiǎn)化有限元模型的計(jì)算量，提取鋁板進(jìn)行單獨(dú)分析。鋁合金材料參數(shù)：密度2.75 g/cm3，彈性模量68.9 GPa，泊松比0.33，屈服強(qiáng)度110 MPa。

如圖4所示，鋁合金板下端采用鉸接方式與支架鏈接。鋁板中部通過(guò)球形鉸接結(jié)構(gòu)與液壓桿連接。球鉸可以在空間內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。故在有限元建模過(guò)程中，約束方式參照實(shí)際受力模式，在板件下端粘接鋁合金滑塊，設(shè)置滑塊底面為鉸接；中部對(duì)圓形面施加鉸接約束，保留所有方向旋轉(zhuǎn)自由度，板上荷載取體重160 kg，均勻分布于中心矩形部位且方向指向板件厚度方向。

圖4 荷載、約束布置方式Fig.4 Load and restraint layout

4.2 結(jié)果

對(duì)鋁合金板應(yīng)力分析可以看出，應(yīng)力分布呈現(xiàn)左右對(duì)稱的分布狀態(tài)，壓應(yīng)力主要分布在液壓桿和底部支撐之間，拉應(yīng)力集中在中部液壓桿鉸支架附近。最大拉應(yīng)力為55.6 MPa，最大壓應(yīng)力為16.7 MPa，均遠(yuǎn)小于鋁合金的屈服強(qiáng)度，故本設(shè)計(jì)為安全設(shè)計(jì)。

5 討論

康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于骨科、普通外科相關(guān)疾病以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的下肢運(yùn)動(dòng)障礙尤為重要，已經(jīng)逐步成為研究熱點(diǎn)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展[13-15]。助行器一般分為無(wú)動(dòng)力式助行器、動(dòng)力式助行器、功能電刺激助行器3類。其中無(wú)動(dòng)力式助行器使用面最為廣泛，主要針對(duì)下半身肌肉力量弱、行走能力輕微受損的老年人或殘疾人而設(shè)計(jì)，然而普通的助行器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不能為患者提供足夠的穩(wěn)定性，給其行走帶來(lái)極大的安全隱患。國(guó)內(nèi)動(dòng)力助行器產(chǎn)品尚處于初級(jí)階段，產(chǎn)品種類較少，使用普及率低。功能性電刺激助行器側(cè)重于治療，電刺激可幫助肌肉恢復(fù)活力，以改善患者的運(yùn)動(dòng)功能。然而，助行的范圍僅限于輕度中樞性偏癱，受用人群較局限，而且儀器價(jià)格昂貴，目前還未普及應(yīng)用[16]。

因傳統(tǒng)助行器存在諸多局限，為給消費(fèi)者更好的使用體驗(yàn)，我們進(jìn)行了改良，將坐立、托扶及減震的功能與智能電子技術(shù)融入其中，設(shè)計(jì)出一款新型智能減震坐立助行器。實(shí)現(xiàn)了高安全性能的智能坐立切換，既可以輔助康復(fù)鍛煉，又可以適當(dāng)休息，預(yù)防使用者在站立或行走的過(guò)程中因無(wú)法保持平衡而摔倒，避免了更為嚴(yán)重的二次傷害和跌坐導(dǎo)致的骨折。結(jié)合科技手段，在產(chǎn)品上安裝GPS定位、心率監(jiān)護(hù)、報(bào)警等裝置，可以讓使用該助行器的患者及家屬更安心。除骨科外的其他外科手術(shù)術(shù)后恢復(fù)期的患者以及心腦血管疾病患者，也可應(yīng)用此產(chǎn)品做康復(fù)訓(xùn)練，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力。