李剛， 宋振東， 鄒風山， 孫乾城， 李加平

（1.沈陽新松機器人自動化股份有限公司 中央研究院，沈陽110169；2.深圳職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，廣東 深圳518055）

0 引 言

目前在研的絕大多數(shù)外骨骼采用電能、液壓等進行驅(qū)動，質(zhì)量較大、售價較高、續(xù)航能力較差[1-3]，嚴重地影響了外骨骼的商業(yè)化推廣[4-7]。

無動力下肢外骨骼是外骨骼領(lǐng)域近幾年的研究熱點。無動力下肢外骨骼是一種基于被動行走原理[8-9]的可穿戴外骨骼設(shè)備。其在運行過程中無需消耗電能等外部能源，可完全依靠特有的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用自身力學特性驅(qū)動活動部件實現(xiàn)下肢助力。被動行走的步態(tài)軌跡與人類行走的步態(tài)軌跡十分接近[10-11]，將被動行走運力與外骨骼技術(shù)結(jié)合，可最大程度地實現(xiàn)人-機相容，更可有效地減少行走過程中的能源消耗，從而實現(xiàn)外骨骼設(shè)備的減重優(yōu)化。

日本名古屋大學與今仙技術(shù)研究院率先研發(fā)了全球第一臺商業(yè)化無動力助行器ACSIVE。ACSIVE可為單側(cè)髖關(guān)節(jié)提供助力，從而實現(xiàn)患者腿部助力功能。單側(cè)質(zhì)量為0.55 kg，可單獨使用，也可以左右兩側(cè)同時使用。目前已經(jīng)在日本醫(yī)療機構(gòu)及養(yǎng)老機構(gòu)進行大規(guī)模使用，效果得到了充分肯定[12]。

鑒于無動力外骨骼的眾多優(yōu)點及巨大的市場前景，綜合分析了現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)缺點后，本項目組深入研究了被動行走原理及下肢助力外骨骼的多項關(guān)鍵技術(shù)，在國家重點研發(fā)計劃項目的支持下，研發(fā)了第一代無動力下肢外骨骼，并進行了相關(guān)測試及臨床試用[13]7-8。實驗結(jié)果表明，本項目組設(shè)計的無動力下肢外骨骼可為患者提供較大的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)助力，并能有效糾正患者足內(nèi)翻、足外翻癥狀。在臨床試用過程中，得到了患者和康復(fù)治療師的充分肯定。

盡管第一代無動力下肢外骨骼取得了階段性的進展，但也存在一些問題，例如未針對半失能老人步態(tài)特征進行運動分析、調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)節(jié)方式繁瑣、整機質(zhì)量大、固定方式不穩(wěn)、缺少必要護具、未充分考慮半失能老人操作需求等。因此，本文針對半失能老人下肢運動特點，建立了人體下肢運動學模型，推導(dǎo)了人體行走動力學方程。在此基礎(chǔ)上，提出了面向半失能老人的無動力外骨骼結(jié)構(gòu)方案，并進行了關(guān)鍵承力部件仿真分析，完成了綁帶等柔性部件的設(shè)計及外觀設(shè)計，最終加工了實驗樣機，進行了測試和實驗。

1 半失能老人步態(tài)特征分析

醫(yī)學界將60歲以上生活不能自理的人界定為失能老人。ADL（日常生活活動能力）標準中主要包含6項指標：穿衣、吃飯、上下床、上廁所、室內(nèi)行走和洗澡。根據(jù)ADL標準，將失能老人分為輕度失能老人（1～2項無法完成）、中度失能老人（3～4項無法完成）、重度失能老人（5～6項無法完成）。而輕度失能老人及中度失能老人可劃歸為半失能老人。

有研究發(fā)現(xiàn)，對于成年人群，平均年齡每增加10歲，下肢肌肉質(zhì)量將減少3.9%，70歲與30歲的人群相比，骨骼肌質(zhì)量減少4.12 kg，四肢肌肉減少2.96 kg[14]。對于半失能老人，下肢力量衰退將導(dǎo)致下肢支撐力不足，同時伴隨著神經(jīng)控制力下降、神經(jīng)傳導(dǎo)速度減慢、動作反應(yīng)時間延長等癥狀，在行走過程中，半失能老人常常無法保持身體平衡，造成跌倒，導(dǎo)致骨折甚至威脅生命。因此下肢肌力衰減是導(dǎo)致老年人下肢運動功能障礙的主要原因。

根據(jù)近幾年對半失能老人步態(tài)的研究成果可知，半失能老人步長縮短，雙腿支撐相周期延長，步速顯著降低，跨步對稱性減弱，步間一致性明顯衰減[15]。而對于半失能老人的步速及步行周期而言，步速明顯減慢，步幅及單步步長縮短，步行周期及單步耗時增加。在對半失能老人的髖、膝、踝關(guān)節(jié)的研究中發(fā)現(xiàn)，半失能老人的髖關(guān)節(jié)活動度明顯增加，膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)活動度降低，行走時外八字現(xiàn)象增多[16]。由于半失能老人足跟部著地、膝關(guān)節(jié)屈曲、踝關(guān)節(jié)跖屈動作減慢，使半失能老人在行走過程中過于求穩(wěn)而不求快，在擺動相擺動腿活動幅度減小，抬起高度降低，從而導(dǎo)致半失能老人在行走時出現(xiàn)腳尖、腿部“拖拉”現(xiàn)象[17]。表1所示為半失能老人與年輕人步行數(shù)據(jù)對比。

由以上分析可知，若要有效解決半失能老人下肢行走障礙問題，需在不明顯增加其負重的情況下，對其髖、膝、踝關(guān)節(jié)提供有效輔助力。

表1 步行數(shù)據(jù)

2 人體下肢運動學及動力學分析

根據(jù)人體結(jié)構(gòu)相關(guān)研究可知，人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)分別擁有3自由度、1自由度、3自由度，各關(guān)節(jié)運動角度如表2所示[18-20]。

將人體簡化為五桿模型，各連桿長度及運動角度如圖1所示。

其中θ1～θ5代表連桿與豎直軸的夾角，l1～l5代表人體模型各部位長度。設(shè)支撐腿為左腿，各關(guān)節(jié)在坐標系中的位置為（xi，zi）（i=1,2,3,4,5,6），點3與點4重合，代表同一個關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)高度為Hh，下肢各部位質(zhì)量為mi（i=1,2,3,4,5），下肢各部位質(zhì)心坐標為（xci，zci）（i=1,2,3,4,5），di（i=1,2,3,4,5）為各質(zhì)心到下方關(guān)節(jié)的距離，則：

表2 關(guān)節(jié)運動角度

圖1 五桿模型

式中：p12=m2d2l1+（m3+m4+m5）l1l2；p13=m3d3l1；p14=m4l1（l4-d4）+m5l1l4；p15=m5l1（l5-d5）；p23=m3d3l2；p24=m4l2（l4-d4）+m5l2l4；p25=m5l2（l5-d5）；p45=m5l4（l5-d5）；h1=p12sin（θ1-θ2）θ?22+p13sin（θ1-θ3）θ?32-p14sin（θ1+θ4）θ?42-p15sin（θ1+θ5）θ?52；h2=-p12sin（θ1-θ2）θ?12+p23sin（θ2-θ3）θ?32-p24sin（θ2+θ4）θ?42-p25sin（θ2+θ5）θ?52；h3=-p13sin（θ1-θ3）θ?12+p23sin（θ2-θ3）θ?22；h4=-p14sin（θ1+θ4）θ?12-p24sin（θ2+θ4）θ?22+p45sin（θ4-θ5）θ?32；h5=-p15sin（θ1+θ5）θ?12-p25sin（θ2+θ5）θ?22-p45sin（θ4-θ5）θ?42；G1=-[m1d1+（m2+m3+m4+m5）l1]gsin θ1；G2=-[m2d2+（m3+m4+m5）l2]gsin θ2；G3=-（m3d3）·gsin θ1；G4=[m4（l4-d4）+m5l4]gsin θ4；G5=[m5（l5-d5）]gsin θ5。

3 無動力下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

第一代無動力下肢外骨骼（下文簡稱第一代外骨骼）助力關(guān)節(jié)采用扭簧作為動力源，扭簧線徑為4 mm，最大工作轉(zhuǎn)矩為5 N·m，最大工作角度為90°[13]2-6。在臨床試用過程中，根據(jù)康復(fù)師及用戶反饋，該關(guān)節(jié)助力大小可滿足患者需求。因此，本文仍采用該規(guī)格的扭簧。

由于本項目研發(fā)的無動力外骨骼主要是面向半失能老人的一種可穿戴助力設(shè)備。由于半失能老人年齡增加，身體各項機能衰退，肌肉力量減弱，因此無動力外骨骼應(yīng)具備操作簡單省力、調(diào)節(jié)方便等特點。根據(jù)以上需求，本文設(shè)計了基于軸向插銷固定式轉(zhuǎn)矩可調(diào)節(jié)無動力助力關(guān)節(jié)，如圖2所示。

圖2 助力關(guān)節(jié)

圖2（a）所示為助力關(guān)節(jié)外形，整個關(guān)節(jié)盒式的設(shè)計理念，將所有機構(gòu)置于關(guān)節(jié)外殼內(nèi)部，既保證了機構(gòu)具有較好的封閉運行環(huán)境，又能保護用戶與運轉(zhuǎn)機構(gòu)相對獨立，有效避免了衣服等物品卷入機構(gòu)所帶來的危險。圖2（b）所示為助力關(guān)節(jié)剖面圖，結(jié)構(gòu)可以分為上下兩部分，上部分從左至右依次為關(guān)節(jié)固定板、定位插銷、彈簧、插銷蓋板；下部分從左至右依次為關(guān)節(jié)固定板、關(guān)節(jié)外殼1、扭簧、高耐磨止動墊片1、軸套、高耐磨止動墊片2、關(guān)節(jié)外殼2、軸端擋片。扭簧的一端固定在關(guān)節(jié)外殼1的卡槽內(nèi)，扭簧的另一端固定在關(guān)節(jié)外殼2的卡槽內(nèi)。關(guān)節(jié)外殼1的內(nèi)部凸臺緊靠高耐磨止動墊片1一側(cè)，高耐磨止動墊片1另一側(cè)與軸套的端面緊貼。軸套的另一端與高耐磨止動墊片2的一側(cè)緊靠，高耐磨止動墊片2的另一側(cè)與關(guān)節(jié)外殼2內(nèi)部凸臺緊靠。軸端擋片通過超短頭內(nèi)六角螺釘與關(guān)節(jié)固定板下部凸起的關(guān)節(jié)軸緊密固定，將整個關(guān)節(jié)盒固定在關(guān)節(jié)固定板的關(guān)節(jié)軸上。關(guān)節(jié)外殼1的圓周方向上，均布有插銷定位孔?；颊咴谡{(diào)節(jié)關(guān)節(jié)助力時，手動向上拔出定位插銷，彈簧收縮變形，通過旋轉(zhuǎn)插銷將定位插銷把手卡入定位槽中，此時定位插銷無法下落，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)外殼1，調(diào)節(jié)至合適的定位孔并對準定位插銷下端。向上拔出定位插銷，旋轉(zhuǎn)定位插銷至滑槽，松開定位插銷，定位插銷在彈簧恢復(fù)力作用下向下彈出，插入插銷定位孔，完成助力關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩大小的調(diào)節(jié)。

3.2 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計

在無動力外骨骼運行時，助力髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)軸線需與患者髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)軸向共線，否則在機體與患者中易造成運動干涉，威脅用戶安全。因此對于不同身高的患者，需要調(diào)整腿部側(cè)板的長度，使助力髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)分別位于患者髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)外側(cè)。在腿部側(cè)板長度調(diào)節(jié)的過程中，由于半失能老人多數(shù)存在無法大幅度彎腰及手部力量薄弱等癥狀，無法使用專業(yè)工具，如六角扳手等。因此無動力外骨骼腿部調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)仍需具有調(diào)節(jié)方便、操作簡單省力的特點。針對該需求，本文設(shè)計了按壓卡簧式自動回彈腿部長度調(diào)節(jié)機構(gòu)，如圖3所示。

圖3 腿部調(diào)節(jié)機構(gòu)

圖3（a）、圖3（b）分別為腿部調(diào)節(jié)機構(gòu)透視圖及爆炸圖。如圖3（b）所示，腿部長度調(diào)節(jié)機構(gòu)組成從左向右依次包括按壓螺帽、彈簧、關(guān)節(jié)外殼2、大腿側(cè)板、鎖緊擋塊。按壓螺帽的螺紋桿穿過彈簧，使彈簧的一端卡入按壓螺帽內(nèi)的卡槽。彈簧的另一端與關(guān)節(jié)外殼2緊靠。按壓螺母的螺紋桿穿過關(guān)節(jié)外殼2下部的通孔及腿部側(cè)板上部的擋塊卡槽，鎖緊擋塊在關(guān)節(jié)外殼2下部的另一側(cè)與按壓螺帽的螺紋桿旋緊。當患者調(diào)節(jié)腿部長度時，只需單手向內(nèi)側(cè)壓緊按壓螺帽，此時按壓螺帽壓縮彈簧，將鎖緊擋塊從腿部側(cè)板的擋塊槽中推出。然后患者可用另一只手向上或向下調(diào)節(jié)腿部側(cè)板。調(diào)節(jié)完成后，釋放按壓螺帽，按壓螺帽在彈簧恢復(fù)力作用下自動彈回，按壓螺帽帶動鎖緊螺母自動回到腿部側(cè)板的擋塊槽中，將腿部側(cè)板位置鎖定，完成調(diào)節(jié)。整個過程無需專業(yè)工具，操作簡單、省力，完全滿足半失能老人的操作需求。

由于半失能老人中髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)力量退化程度不同，因此有些老人需要對髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)進行助力，有些老人只需對髖關(guān)節(jié)進行助力，因此在無動力外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)具有模塊化裝配及拆卸功能。因此本文將髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)設(shè)計成相同結(jié)構(gòu)，便于模塊化拆卸。膝關(guān)節(jié)可固定于大腿側(cè)板下端，通過專門的卡扣結(jié)構(gòu)進行固定，拆卸方便，模塊化程度高，如圖4所示。

圖4 可模塊化裝配的助力關(guān)節(jié)

當患者髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)均需助力時，可在無動力外骨骼上同時裝配助力髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)；當患者只需要髖關(guān)節(jié)助力時，可只裝配助力髖關(guān)節(jié)，如圖5所示。這種模塊化裝配的思想使無動力外骨骼使用方式及使用范圍更加靈活和廣泛。

圖5 無動力外骨骼的不同用法

3.3 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計

腰部結(jié)構(gòu)是將無動力外骨骼與半失能老人固定的有效部位，又是連接助力關(guān)節(jié)的橋梁。因此腰部結(jié)構(gòu)必須符合人體工程學，而且具有多維尺寸調(diào)節(jié)功能。由于無動力外骨骼的重力主要由用戶腰部承載，因此腰部結(jié)構(gòu)還必須考慮與腰部綁帶的固定方式。鑒于以上功能需求，本文設(shè)計了無動力外骨骼腰部結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6為腰部結(jié)構(gòu)，設(shè)計時充分考慮了人體工程學，其結(jié)構(gòu)輪廓為流線形，外表面無尖銳凸出物，符合醫(yī)療器械標準規(guī)定。腰部結(jié)構(gòu)在尺寸調(diào)節(jié)方面具備3個方向的調(diào)節(jié)功能，包括腰部寬度調(diào)節(jié)、腰部前后調(diào)節(jié)及髖關(guān)節(jié)上下調(diào)節(jié)。腰部寬度及腰部前后調(diào)節(jié)方式采用旋鈕擠壓，通過旋鈕對部件的擠壓，利用摩擦力將腰部部件鎖定，無需專業(yè)工具，單手徒手即可完成調(diào)節(jié)。前后調(diào)節(jié)后的腰部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 腰部結(jié)構(gòu)

髖關(guān)節(jié)與腰部結(jié)構(gòu)采用卡槽方式進行固定，利用腰部前側(cè)的定位孔進行上下調(diào)節(jié)。整個固定機構(gòu)只需一個手擰螺母即可完成固定及拆卸，極大地降低了無動力外骨骼的操作難度，調(diào)節(jié)過程省時省力。圖8所示為腰部結(jié)構(gòu)與髖關(guān)節(jié)固定示意圖。

大型油船輔鍋爐汽包水位對其控制系統(tǒng)的要求較高，水位變化對設(shè)備的正常運行至關(guān)重要。為能滿足控制精度和速度和對環(huán)境變化的適應(yīng)能力，通常運用雙沖量串級控制和三沖量串級控制。由于設(shè)備運行工況多變使得汽包水位系統(tǒng)表現(xiàn)非線性、時變和強干擾等特性，因此常規(guī)PID控制對汽包水位的控制效果欠佳。[1]

3.4 關(guān)鍵部件力學仿真分析

為保證無動力外骨骼結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定安全的運行，需對關(guān)節(jié)承力部件進行力學仿真分析。在運動過程中，主要承力部件有助力關(guān)節(jié)外殼1、助力關(guān)節(jié)外殼2、腿部側(cè)板、定位插銷、關(guān)節(jié)固定板等。本文以關(guān)節(jié)外殼1及腿部側(cè)板為例，進行仿真分析。對于關(guān)節(jié)外殼1，該部件采用碳纖維材料，彈性模量為300 GPa，泊松比為0.31，密度為1.62 g/cm3，該部件受到扭簧對卡槽的轉(zhuǎn)矩及插銷對定位孔的周向阻力，扭簧最大轉(zhuǎn)矩為5 N·m，圖9所示為關(guān)節(jié)外殼1的應(yīng)力云圖。

圖7 腰部前后調(diào)節(jié)

圖8 腰、髖固定

由圖9可知，關(guān)節(jié)外殼1在受到扭簧施加的周向5 N·m的轉(zhuǎn)矩時，部件最大應(yīng)力并未超過材料屈服強度，故滿足設(shè)計要求。對于腿部側(cè)板，其上下連接助力髖關(guān)節(jié)及助力膝關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩為5 N·m，因此腿部側(cè)板最大承受10 N·m的轉(zhuǎn)矩，材料與關(guān)節(jié)外殼1相同。圖10為腿部側(cè)板應(yīng)力仿真云圖，由圖10可知，腿部側(cè)板在受到最大轉(zhuǎn)矩作用時，部件最大應(yīng)力并未超過材料的屈服強度，故滿足設(shè)計要求。

圖9 關(guān)節(jié)外殼1應(yīng)力云圖

圖10 腿部側(cè)板應(yīng)力云圖

4 綁帶等柔性部件設(shè)計及外觀設(shè)計

在無動力外骨骼工作時，需要與患者下肢可靠、緊密地固定在一起。由于用戶是半失能老人，因此安全舒適的固定及保護部件對用戶十分重要。本文針對半失能老人的下肢結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了無動力外骨骼專用綁帶，提出采用腰部、大腿、小腿三點固定的綁帶安裝方案，如圖11所示。圖11（a）為腰部及腿部綁帶，腰部綁帶采用1 cm厚海綿作為緩沖材料，海綿表面覆蓋有高強度透氣材料，用以增加腰部綁帶的承載強度。在最外層覆蓋有三明治透氣材料，使綁帶在使用過程中具有較好的透氣性。腰部綁帶具有上下兩條鎖緊腰帶，腰帶內(nèi)側(cè)布置有粘扣，腰帶鎖緊部分采用雙向可調(diào)卡扣，卡扣可實現(xiàn)左右?guī)чL的調(diào)節(jié)，并能反向自鎖，配合要帶上的粘扣，實現(xiàn)腰帶長度鎖緊的雙重保險。腿部綁帶的設(shè)計理念與腰部綁帶相似，不再贅述。圖11（b）所示為柔性綁帶的穿戴效果。

無動力外骨骼腳部提拉機構(gòu)可使患者腳尖向上抬起，可有效解決患者行走過程中，由于腳尖拖地導(dǎo)致的跌倒、絆倒。因此腳部提拉機構(gòu)是無動力外骨骼的重要組成部分，如圖12所示。

圖11 綁帶設(shè)計

圖12 腳部提拉機構(gòu)

腳部提拉機構(gòu)由防滑鞋底和可調(diào)節(jié)彈力帶組成，防滑鞋底具有尺寸調(diào)節(jié)功能，可以與患者踝關(guān)節(jié)及足面進行緊密固定。可調(diào)節(jié)彈力帶具有彈力調(diào)節(jié)功能，通過調(diào)節(jié)左右彈力帶的長短實現(xiàn)提拉力的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對患者足內(nèi)翻、足外翻的糾正功能。

針對以上結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，本文對設(shè)計的無動力外骨骼進行了外觀設(shè)計，如圖13所示。

5 樣機加工與實驗

根據(jù)以上設(shè)計，本文加工了無動力外骨骼產(chǎn)品樣機，如圖14所示。為測試無動力下肢外骨骼各項性能，本文進行了相關(guān)測試和實驗，其中包括：結(jié)構(gòu)質(zhì)量測試、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩測試、連續(xù)行走測試、上下樓梯測試，以及平地行走臨床實驗。

圖13 無動力外骨骼整體效果

5.1 結(jié)構(gòu)質(zhì)量測試

本文采用強度高、質(zhì)量輕的碳纖維材料進行加工。在保證各部件具有足夠強度的前提下，極大地降低了設(shè)備質(zhì)量，圖15所示為結(jié)構(gòu)質(zhì)量測試。

圖15（a）為無動力外骨骼整機質(zhì)量，總質(zhì)量為2.655 kg，整機質(zhì)量包括腰部質(zhì)量、大腿質(zhì)量、小腿質(zhì)量及所有標準件的質(zhì)量。圖15（b）為外骨骼助力部分質(zhì)量，質(zhì)量為1.725 kg，助力部分質(zhì)量包括大腿質(zhì)量、小腿質(zhì)量及標準件質(zhì)量。

圖14 無動力外骨骼樣機

圖15 產(chǎn)品質(zhì)量測試

5.2 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩測試

關(guān)節(jié)同一方向定位孔分為5擋，均布在關(guān)節(jié)外殼周向，腿部側(cè)桿到關(guān)節(jié)中心距離為0.38 m，測試結(jié)果表3所示。

因此關(guān)節(jié)提供的轉(zhuǎn)矩Ti（i=1,2,3,4,5）依次為：

圖16 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩測試

表3 關(guān)節(jié)扭矩測試結(jié)果 N·m

經(jīng)計算，關(guān)節(jié)最大助力為5.63 N·m，滿足設(shè)計指標。

5.3 連續(xù)行走測試

為驗證本文設(shè)計的無動力外骨骼在平地行走過程中的助力效果及柔性綁帶的舒適性，本文進行了連續(xù)行走測試。選取身高1.5～1.9 m的實驗人員10人，分別穿戴無動力外骨骼進行連續(xù)平地行走。實驗場地為公司設(shè)備測試實驗室內(nèi)長10 m、寬2 m的平直防滑地面。實驗時，用戶穿戴外骨骼沿著指定路線連續(xù)行走50 m。圖17所示為連續(xù)行走測試實驗，實驗結(jié)果如表4所示。

圖17 連續(xù)行走實驗

由結(jié)果可知，當操作人員將用戶與外骨骼通過柔性綁帶緊密固定后，用戶均認為無動力外骨骼具有明顯助力效果，整個實驗過程無不適現(xiàn)象產(chǎn)生。

5.4 上下樓梯測試

為驗證本文設(shè)計的無動力外骨骼在上下樓梯過程中具有明顯的助力效果，本文進行了上下樓梯測試。測試場地為公司設(shè)備測試實驗室外的標準樓梯間，樓梯高度為20 cm，寬度為30 cm，共18階。選取身高1.5～1.9 m的不同實驗人員共10人，進行測試，從樓梯頂端走到樓梯底端，再從底端走到樓梯頂端，為一次實驗。圖18所示為上下樓梯實驗，實驗結(jié)果如表5所示。

圖18 上下樓梯實驗

表4 連續(xù)行走實驗結(jié)果

表5 上下樓梯實驗結(jié)果

在10組實驗中，實驗人員均認為無動力外骨骼在上下樓梯過程中具有明顯的助力效果。

5.5 平地行走臨床測試

由于無動力外骨骼服務(wù)人群是半失能老人，因此本文進行了平地行走臨床測試。測試地點為沈陽盛京康復(fù)中心第一康復(fù)訓練室，用戶為患有腦中風4期（輕度中風，可獨立站立、行走，但行走需有人攙扶）導(dǎo)致下肢行走障礙的老人，選取身高1.5～1.8 m的患者16人。如圖19所示，為平地行走臨床測試，實驗結(jié)果如表6所示。

圖19 臨床測試

由臨床結(jié)果可知，在測試的16組實驗中，只有一名患者認為無動力外骨骼的助力效果不明顯。這是由于該患者腰部過胖，導(dǎo)致綁帶無法緊密固定，在行走過程中外骨骼與患者產(chǎn)生了相對運動，助力關(guān)節(jié)的驅(qū)動力無法有效地傳遞到患者下肢，其余15組患者均認為無動力外骨骼具有明顯的助力效果。

表6 臨床行走實驗結(jié)果

6 結(jié) 論

1）本文對半失能老人的步態(tài)特點進行了詳細的分析，建立了人體下肢運動模型，推導(dǎo)了人體行走動力學方程；

2）面向半失能老人，本文設(shè)計了無動力下肢外助力外骨骼。該外骨骼具備腰部、大腿、小腿長度調(diào)節(jié)功能，具備髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)模塊化裝配功能；

3）為更好地保護患者，針對半失能老人，本文設(shè)計了外骨骼專用柔性綁帶，增強了外骨骼的穿戴舒適性和安全性，并對無動力外骨骼進行了外觀設(shè)計；

4）基于理論研究成果，本文加工了無動力外骨骼樣機，并進行了相關(guān)實驗和臨床測試。實驗及測試結(jié)果表明，在使用了碳纖維材料加工后，機體質(zhì)量更輕，強度更高；平地行走、上下樓梯均具有較好的助力效果。