一款智能减震坐立助行器的研制及应用方式

【作 者】 刘天明，于金良，颜聪，盛冶，张新蕾，金辉

1 哈尔滨医科大学附属第一医院，哈尔滨市，150001

2 哈尔滨师范大学 美术学院，哈尔滨市，150088

0 引言

随着人口老龄化的增长，老年人的健康问题已经成为学者们研究的热点，医疗保健和康复产品的完善程度会严重影响老年人的幸福指数[1-2]，这推动市场上老年人康复的相关产品产业蓬勃发展。股骨骨折在内的下肢骨折[3]、脑卒中[4]等疾病在老年人中发病率较高，会导致下肢运动障碍，且这类疾病即使在药物治疗和手术治疗后仍需康复锻炼。所以一些康复器械[5]已经被发明且用于上述疾病患者的康复治疗中。

在过去的几年，多种类型的助行器[6-8]已经被设计和应用于脑卒中和运动功能障碍的患者康复训练中，然而这些助行器多存在以下缺陷：需患者家属或专业护理人员辅助方可安全使用，人工成本相对较高，很难满足患者在日常生活中的辅助需求[9]；缺少独立改变姿势时对身体的重量支持，患者易因突然下坐产生巨大的冲量而引发下肢骨折现象。为改善这种状况，我们采用电驱动的方式，设计了一款新型智能减震坐立助行器，有效规避中老年人群骨折风险，防止跌坐的发生，并安装相关报警装置增加其安全性。

1 助行器的基本结构

助行器主要由助行器主体、软质臂托和减震座椅3部分构成，其中助行器主体为6061铝合金支架，为可伸缩设计。主体的高度可调范围为90～140 cm，减震底座的尺寸为45 cm×35 cm，软质臂托的尺寸为60 cm×50 cm，其表面覆盖抗氧化涂层以增加其耐用性。

助行器主体顶端设置软质臂托，其结构为U形，且外部包有软垫，软质臂托一侧设置一组L形把手，以供使用者握持。且L形把手上端设置有减速电机开关、变频器开关及自主呼救按钮，内部设置有心率监测装置。助行器支架靠近L形把手一侧设置有万向轮，另一侧设置有防滑地垫，既方便推动前进，又增强稳定性。

远离L形把手一侧的连接杆上设置减速电机，与减震座椅通过液压杆连接。液压杆头部为球形铰接结构，杆部可以伸缩，通过减速电机带动液压杆旋转和伸缩进而带动减震座椅翻转。减震座椅为铝合金座板，上覆起一定减震作用的海绵板，座椅与两侧滑块连接，滑块与平衡杆铰接，且可沿平衡杆轴向滑动。减震座椅内部设置有控制器、全球定位系统（global positioning system,GPS）定位装置和蓝牙模块，其中蓄电池与控制器连接，控制器的输入端与GPS定位装置、自主呼救装置、心率监测装置连接，输出端与蓝牙模块连接，蓝牙模块可以与使用者终端（手机）连接（见图1）。

图1 智能减震坐立助行器的外部设计结构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

助行器主体安装有可伸缩支架，用于调整助行器高度适应不同身高的使用者。做康复训练时，可以按动L形把手上的减速电机开关启动减速电机，利用滑块和减速电机将减震座椅调整至直立状态；手扶L形把手，控制前进方向，推动助行器前行，与助行器支架形成维护结构，防止老人在站立时失去平衡发生翻倒而造成二次伤害；当需要从站立姿势调整至坐立姿势时，按动减速电机开关，利用减速电机带动液压杆，进而带动减震座椅翻转。可以根据身体状况通过变频器开关调整减震座椅翻转的速度，通过电驱动的方式扶托使用者缓慢坐下，减轻对髋骨及脊柱的冲击，从而预防跌坐，达到减震效果，有效规避中老年人群骨折风险，预防骨折（见图2）。

图2 智能减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 助行器的优势性能

3.1 构造合理化

助行器支架设置净重2.8 kg，抗拉强度205 MPa以上，屈服强度110 MPa以上，密度2.75 g/cm3，经过阳极氧化处理后，抗腐蚀性好，能经受160 kg以下的重量，对于老年人来说可安全使用。助行器安有U形软质臂托结构，软质臂托外设置有软垫。软质臂托采用符合人体力学的环形结构设计，可以在行走时提供大角度的柔软舒适托扶，防止侧面跌倒，在省力的同时更好地保持身体的平衡，为手部无力、行动不便的人群提供了有效防护。

助行器支架底部安装万向轮和防滑地垫，这和国内现有的一些助行器不同[10-11]。其中前脚为双轮结构，后脚为双防滑地垫结构，兼具省力与平稳、不易摔倒的特性；防滑地垫经久耐用，可以增加摩擦力、加大耐磨性，达到安全、省力的目的。

3.2 设备智能安全

减震座椅内部设置蓄电池和变频器，使用时通过减速电机带动减震座椅翻转托扶老人缓慢坐下，降低下坐冲量，防止骨折。座椅内部安装GPS定位系统，可以实时记录使用者当前所在位置及行走路线，GPS定位模块可以采用市售产品。L形把手内部设置有心率监测装置，心率监测装置与控制器连接，使用者在抓握L形把手的时候进行心率监测。心率监测装置的主要结构为发生器及光敏接收器，通过光电透射测量法，即心脏的规律跳动引起血液透光率的变化，将获取的信息转换为电信号，得到心率信息，这与目前市面上大部分智能手环检测心率的方法一致，因此相关发生器及光敏接收器也可以选用市售装置[12]。上述GPS定位信息及心率信息通过控制器传出至蓝牙模块，蓝牙模块通过与使用者终端（手机）蓝牙连接，将信息数据进行汇总和记录，上传至云端，进行实时监控。使用者家属可通过远程终端，如使用配套专属手机APP实时了解患者所在位置、行走路线及心率变化情况（见图3）。

图3 三种特异性装置的工作原理Fig.3 Working principles of three specific devices

3.3 安装报警监测装置

助行器L形把手上设置有自主呼救按钮，与控制器连接。当使用者在使用的过程中感受到身体出现不适时，可以按动按钮进行呼救，蓝牙模块将呼救信号传输至自身手机终端，再通过云端给患者家属发送报警信号。同时，使用者家属或陪护可通过GPS定位信息实时了解使用者当前所在位置，便于及时到达现场予以救助。

4 基于有限元方法对减震座椅的座位安全进行特性分析

为了验证减震座椅的使用安全性，我们通过使用有限元软件Abaqus 2021对减震座椅进行受力分析，验证其安全性和易损坏的部位。

4.1 模型建立

减震座椅由铝合金座板及海绵板等部位组成。其中，底部的铝合金座板是主要受力构件。为了简化有限元模型的计算量，提取铝板进行单独分析。铝合金材料参数：密度2.75 g/cm3，弹性模量68.9 GPa，泊松比0.33，屈服强度110 MPa。

如图4所示，铝合金板下端采用铰接方式与支架链接。铝板中部通过球形铰接结构与液压杆连接。球铰可以在空间内自由转动。故在有限元建模过程中，约束方式参照实际受力模式，在板件下端粘接铝合金滑块，设置滑块底面为铰接；中部对圆形面施加铰接约束，保留所有方向旋转自由度，板上荷载取体重160 kg，均匀分布于中心矩形部位且方向指向板件厚度方向。

图4 荷载、约束布置方式Fig.4 Load and restraint layout

4.2 结果

对铝合金板应力分析可以看出，应力分布呈现左右对称的分布状态，压应力主要分布在液压杆和底部支撑之间，拉应力集中在中部液压杆铰支架附近。最大拉应力为55.6 MPa，最大压应力为16.7 MPa，均远小于铝合金的屈服强度，故本设计为安全设计。

5 讨论

康复训练对于骨科、普通外科相关疾病以及神经系统疾病导致的下肢运动障碍尤为重要，已经逐步成为研究热点，相关产业蓬勃发展[13-15]。助行器一般分为无动力式助行器、动力式助行器、功能电刺激助行器3类。其中无动力式助行器使用面最为广泛，主要针对下半身肌肉力量弱、行走能力轻微受损的老年人或残疾人而设计，然而普通的助行器设计简单，不能为患者提供足够的稳定性，给其行走带来极大的安全隐患。国内动力助行器产品尚处于初级阶段，产品种类较少，使用普及率低。功能性电刺激助行器侧重于治疗，电刺激可帮助肌肉恢复活力，以改善患者的运动功能。然而，助行的范围仅限于轻度中枢性偏瘫，受用人群较局限，而且仪器价格昂贵，目前还未普及应用[16]。

因传统助行器存在诸多局限，为给消费者更好的使用体验，我们进行了改良，将坐立、托扶及减震的功能与智能电子技术融入其中，设计出一款新型智能减震坐立助行器。实现了高安全性能的智能坐立切换，既可以辅助康复锻炼，又可以适当休息，预防使用者在站立或行走的过程中因无法保持平衡而摔倒，避免了更为严重的二次伤害和跌坐导致的骨折。结合科技手段，在产品上安装GPS定位、心率监护、报警等装置，可以让使用该助行器的患者及家属更安心。除骨科外的其他外科手术术后恢复期的患者以及心脑血管疾病患者，也可应用此产品做康复训练，增强运动能力。