气压辅助腰部助力装置设计

李文燕，雷玲，曹飞

（西安明德理工学院，西安 710124）

0 引言

大量的老年人腰部骨骼老化活动不便；建筑工人或室外重体力劳动者，弯腰活动频繁且强度大，腰肌劳损远超常人，常引发腰椎疾病；腰椎间盘突出患者更是中老年人群、多年伏案工作者的常患疾病。腰部疾患给患者带来极大的痛苦，甚至导致患者无法正常生活和工作。目前对此类疾病的治疗方法有，针对轻微患者的护理腰带、康复锻炼等，以及针对重症患者的手术治疗、牵引疗法、佩戴限制腰部活动的支具等。这些措施对患者起到了不同程度的治疗和缓解痛苦作用。但对处于急性发病期或刚刚进行过专门性治疗后的腰肌患者来说，并没有合适的方法能让患者既可适度活动又可减轻疼痛。考虑到腰疾患者在弯腰时，如果有人将其搀扶一把，将助其减轻疼痛，腰部助力器的设计正是受到此现象启发，将患者上肢从腋下托起，不但能缓解佩戴者的疼痛，还能保护腰肌，牵引腰椎，对患者起到治疗作用。

1 设计方案

1.1 产品结构

本产品由皮带、气缸组件、腋托等3部分组成（如图1）。穿戴时，气缸组件通过连接块连接在皮带上，将腋托放在穿戴者腋下，如图2和图3所示。

图1 产品组成

图2 穿戴后人体正面示意图

图3 穿戴后人体侧面示意图

1.2 工作原理

本产品采用托举方式为腰部疾患者助力。患者系上腰带，将腋托放置在两侧腋下，向下弯腰时，气缸内的支撑力将人的上身向上托扶起，减轻穿戴者的弯腰负担，同时人体的部分质量通过气缸下端传递到腰带上，腰带再将力量传递到腰椎部位，进一步增加腰部舒适度。

气缸内支撑力可通过弯腰动作自动循环增加。如图4所示，当活塞上行时，气缸上腔内的气体通过单向阀流入下腔，使下腔气体量增多；人向下弯腰时，活塞下行，由于单向阀的作用，下腔气体无法流出，下腔压力升高，对人体起到托举作用；以后每次弯腰时，重复上述过程，使气缸下腔压力不断增加，托举力随之增大。当达到人体所需最大托举力时，多余的气体便可通过泄气阀排出。调节泄气阀出口压力，可获得合适的最大托举力。活塞循环数次后，气缸上腔内气体稀少，此时可通过上腔出口处的单向阀向缸内补充空气。

图4 气缸托举原理图

2 气缸支撑力计算

CMD16-150型气缸压力范围为0～1 MPa;活塞面积为3.14×102÷4=78.5 mm2;支撑力范围为（0～1）×78.5=0～78.5 N;成年人上体平均质量为60×0.4×9.8=235 N。

本助力器设计为弯腰时的助力，并不需要支撑起全部上体质量，经实测，弯腰40°时需要助力的大小不超过50 N，故CMD16-150型气缸能满足多数成年人的助力需求。超常体重者可选择加大型号的气缸专门制作的助力装置。

3 人体受力分析

患者戴好腰带，先上下移动气缸活塞杆2～3次，使气缸内升起适宜的压力，将两侧腋托置于腋下，此时装置内力的传导路线如图5所示，人体重力通过气缸体向下传到腰带时，由于腰带是柔性材料制成的，其前端受到来自气缸底部向下的压力时会使整条腰带倾斜，故沿气缸底端传出的力分解为两路互相垂直方向的力，一路压向腰带下方边缘，传给人体胯部；另一路沿腰带长度方向传到人体后侧，压向人的腰椎部位。

图5 装置传力路线

患者直立时的受力状态如图6所示，装置将上肢向上托举，上肢质量通过装置压到臀部，位于上肢与臀部之间的腰椎部位受到牵拉，对于患有腰椎间盘疾病的患者来说，起到牵引治疗作用。同时，腰带后侧还会对人体腰椎部位构成垂直于皮肤方向的压力，恰好对腰部起到类似按摩的作用。

图6 直立时人体受力分析

患者弯腰时，活塞下行，缸内气压升高，装置对上肢的托举力随之增大，有效地减缓了腰部受力，同时腰带对腰椎的按压也继续对腰椎起到按摩作用。

图7 弯腰时人体受力分析

4 试用体验

经过数十人穿戴体验，反馈如下：1）曾经历过腰椎间盘突出症的患者，佩戴后感觉腰部舒服，上肢挺拔，弯腰时可感受到明显助力；2）正在患腰椎间盘突出症而不能进行日常上肢活动的患者，佩戴后不但能弯曲上肢，且因装置的牵引治疗作用，可缩短康复时间；3）腰肌劳损患者，佩戴后弯腰时明显减轻腰部受力，活动比不佩戴（更）自如；4）频繁弯腰的体力劳动者，佩戴装置后弯腰负担减轻；5）中医康复科医生体验后，认为该装置可用于脑卒中偏瘫患者手及上肢功能康复训练的辅助支撑；6）上述用户体验的共同缺点是：佩戴时腋托使腋下受到挤压，长时间佩戴会妨碍血液流通。

5 辅助治疗机理

腰椎间盘的结构如图8所示，图8（a）中①为健康腰椎中纤维环、髓核与脊髓神经的位置关系。随着纤维环的退变及腰椎的使用不当，纤维环从薄弱处破裂，髓核从破裂处伸到后方的椎管内，经过此处的神经即受到压迫，腰椎间盘组织呈现为图8（a）中②的样子，图8（b）是从侧面角度呈现的神经受挤压的情况。神经受到压迫后，腰部、腿部等神经所到达的部位均会感受到疼痛和功能受限。治疗腰椎突出的方法之一，是鼓励患者尽早恢复适度的日常运动。运动过程产生的脊柱动力载荷可促进营养物质的弥散，影响椎间盘基质代谢，减缓基质退变，运动疗法可缓解疼痛并改善功能[1]130。另外，牵引疗法是常见的腰椎疾病康复方法之一，将腰椎沿纵向拉开，释放对神经的压迫，能减轻疼痛症状，使患者尽早恢复日常活动。

图8 腰椎间盘突出症状机理

由此可见适度运动对腰椎患者的康复起到积极的治疗作用，而佩戴本装置可使各类患者早日进行运动练习，同时又能利用装置产生的牵引作用治疗腰椎，达到双倍的治疗效果。

6 样机及佩戴实况

样机及佩戴实况如图9、图10所示。

7 结语

本装置通过托扶上身实现弯腰助力，原理新颖，方法可靠；随着人体弯腰运动实现增压，不需要额外的动力即可满足支撑力的需要，且能根据佩戴者体质情况方便地调节支撑力大小。适用于腰椎间盘突出症急性发作期及康复期患者、腰肌劳损和频繁弯腰重体力劳动者，也可作为脑卒中偏瘫患者手及上肢功能康复训练的辅助支撑。它结构简单、轻巧灵便、价格低廉、佩戴和调整方便。腋托对腋窝部位的压力，可通过更换腋托材质和结构来改善受力分布，提高佩戴舒适度。目前市场上尚无同功能产品，本装置具有广阔的市场前景。