柔性踝关节助力设备的设计与性能评价

刘星雨 薛 涛 林颖蕾 王 岩 张婷婷 魏志伟

西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710000

世界人口统计数据显示:2021年全球65岁及以上人口为7.61亿;到21世纪中叶,全球65岁及以上人口数量预计将增加一倍以上,其中80岁及以上的人口增长速度更快[1-2]。我国60岁及以上老年人口占比将从2020年的18.7%增加至2035年的30.3%,2050年将进一步提高至38.8%。我国人口结构正面临老龄化逐年增长的问题,同时各种灾害和疾病导致下肢残疾的人数也在逐年增加,许多老年人面临残疾及其他各种疾病的困扰[3]。其中,中风是导致长期残疾的主要原因之一。全世界有超过3 300万的中风幸存者[4]。尽管他们进行了广泛的治疗,但80%以上的中风幸存者仍存在残留的步态障碍[5],如非对称步态、踝关节跖背屈能力弱、膝关节支撑稳定性差等。若不及时进行康复训练,则这些障碍会影响身体活动,降低生活质量,增加二次中风和死亡的风险。临床医学研究证明,对肢体进行科学的康复训练能够恢复和提高运动能力[6]。例如,下肢受损患者穿戴柔性下肢助力设备进行一定周期的步态康复训练后,可在外力的辅助下实现正常行走[7]。

近年来,柔性下肢康复设备以其舒适、轻便、安全、高效等特点得到了广泛的推广和应用。穿戴式柔性踝关节助力设备也因此得到了快速发展[8]。哈佛大学就研制出了一款利用柔性气压驱动髋关节、膝关节和踝关节的可穿戴下肢外骨骼机器人——Soft Exosuit。该设备以织物带和鲍登线连接人体的腰部和腿部,从而驱动髋关节弯曲和踝关节跖屈,辅助人体站立且无需外部的支撑[9-11]。Yandell团队也设计了一款与Soft Exosuit类似的无动力踝关节外骨骼,其能在不需要单独的电源及外力的条件下,通过足下离合器,为穿戴者提供跖屈的辅助力[12]。北京航空航天大学研制的绳驱动踝关节外骨骼利用一对单电机,实现了对两侧踝关节跖屈和背屈双向运动的分别控制[13]。西北机电工程研究所制作的一款穿戴式柔性踝关节助力服,可基于电机、减速器、布带和轮盘的配合将电机产生的力传递到踝关节处,同时还能增加对腿部其他肌肉的辅助作用[14-15]。

本文基于老年人及步态障碍患者的需求,在研究市面现有踝关节康复装置运动结构的基础上,从人体康复运动机理的角度出发[16],应用柔性纺织材料对柔性踝关节助力设备结构进行设计,并从穿着舒适性及对人体的助力效果方面进行评价,以期为可穿戴柔性助力设备的研发提供一定的参考。

1 柔性踝关节助力设备的设计与实现

1.1 材料的选取

选取3种不同的面料,具体如图1所示。其中,A#和B#为涤纶面料,它们具有良好的透气性能和力学性能,用于助力设备的内衬;C#为经编间隔织物面料,其中间连接的间隔丝具有一定的抗压性能[17],可增加助力设备主体的抗压弹性,达到更好的支撑效果。

图1 柔性踝关节助力设备用面料

1.2 结构设计

1.2.1 结构设计原则

柔性踝关节助力设备正常使用的前提是具有良好的结构,其设计时应遵循以下原则:(1)适用性好,助力设备可调节,以适应不同体型的穿戴者;(2)采用柔性纺织品,以尽可能地贴合人体下肢曲线,确保对力的传递,以及穿戴舒适、灵活;(3)质量小,便于携带与穿戴。

1.2.2 原型结构设计

柔性踝关节助力设备用于踝关节受损后的肢体,其能为踝关节活动提供助力。助力设备的组件佩戴在小腿部和鞋的远端,主要有小腿主体环带、上下固定带和弹力带等。小腿主体环带结构应与人体小腿部位的廓形相一致,符合人体结构,对穿戴者腿部提供一定的支撑作用,其与弹力带相连接,可实现更好的助力效果。固定带上附有魔术贴带,可调节人体与助力设备之间的贴合度和舒适度。

根据人体下肢骨骼肌组织的分布及人体生物力学的特征,本文在人体与服装关系的基础上,进行了柔性踝关节助力设备结构的设计。原型设计尺寸如表1所示。

表1 穿戴式柔性踝关节助力设备原型尺寸设计

穿戴式柔性踝关节助力设备主体结构示意如图2所示。

图2 穿戴式柔性踝关节助力设备主体结构示意

1.3 原型的实现

根据助力设备原型尺寸和版式设计进行制作。首先,确定该设备主要面料为A#,包边面料为B#;接着,确定主体部分采用A#+C#+A#的夹心结构;最后,利用立体裁剪和平面裁剪相结合的制作工艺,使用高速单针平缝缝纫机DDL-8700进行缝制,所得实物效果如图3所示。

图3 实物效果图

2 试验部分

2.1 测试样品

本试验测试对象为1.3节制作的柔性踝关节助力设备。

2.2 受试者

本次试验共招募16名受试者,其中男性10名、女性6名,年龄在(25±3)岁,体质量在(66±25)kg,身高在(171±15)cm。试验开始前,先测量受试者的各项身体指标,具体信息如表2所示。所有受试者均身体健康,无关节、骨骼或韧带受伤病史,试验前皆熟悉试验流程和试验方法,且均自愿参与测试。受试者在试验前均签署了书面知情同意书。

表2 受试者各项身体指标信息

2.3 试验设备

心率测试采用芬兰Polar Electro Oy公司的传感器胸带设备Polar H10。该设备能以高精度实时监控运动过程中的心率数据,并通过蓝牙和ANT+将心率传输给各种训练装置。Polar H10在休息和体育锻炼条件下正确评估RR间期(即心跳间隔时间)的有效性已被证实。试验将在亿健V900型多功能跑步机上进行。

2.4 主观舒适性评价

在温度为(23±2)℃、相对湿度为(50±5)%的室内条件下,受试者穿戴柔性踝关节助力设备进行主观舒适性评价。评价基于李克特量表进行,共分7个等级,所涉及的主观舒适性评价项目及术语描述如表3所示,评价等级设计见表4。试验开始前,先向受试者详细解释评价方法,确保受试者能够准确理解术语的含义。受试者穿戴柔性踝关节助力设备在亿健V900型多功能跑步机上以自然站立的状态,按4.0 km/h及7.5 km/h的速度进行试验。试验结束后,受试者根据自身的感受选择相应的评价等级。

表3 主观舒适性评价项目及术语描述

表4 主观评价等级设计

2.5 客观助力效果评价

通过对比和分析步行和跑步状态下有无柔性踝关节助力设备时的心率变化,评估助力设备的客观助力效果。

心率测试在实验室内进行。受试者在熟知试验流程后,先在室内静坐10 min,以达到稳定的状态,再将Polar H10心率带佩戴在胸部并调整至舒适位置。试验开始后,受试者分别在4.0 km/h和7.5 km/h的运动速度下,各进行3 min的心率监测。且为消除运动疲劳带来的误差,每位受试者在每组试验之间都需要休息10 min以上,以保证数据的准确性。

3 结果与讨论

3.1 主观舒适性分析

非参数Kendall协同系数W检验法是对多个相关样本进行检验的一种方法,其经常用于检验主观评价者之间评分是否具有一致性。本文为了验证评价者评价结果的一致性,对3种不同状态的主观评价结果进行Kendall协同系数检验。当显著性水平p<0.05时,表示受试者之间的评价结果有一致性。Kendall协同系数检验结果见表5。

表5 Kendall协同系数检验结果

从表5可以看出,3种不同状态的Kendall协同系数检验结果均表现出显著性(p=0.000<0.05),这意味着16位受试者的评价具有关联性,说明评价结果具有一致性。

根据表4所列的7级评价量表,将受试者在试验中的主观感受数字化。使用SPSS 26.0软件进行描述性统计分析,结果见表6,各评价项目的平均评价等级折线见图4。

表6 不同状态下主观感受描述性统计分析

图4 不同状态下各评价项目的平均评价等级折线

从表6和图4可以看出:3种状态下,各评价项目的平均感觉趋势相同,评价等级都不超过4级即满意度均在较满意以上。在所有受试者的主观感受平均评价等级中,自然站立状态下的受试者评价等级整体相对最小即满意度最高;运动时腿部肌肉绷紧,受试者对穿戴的助力设备感觉更明显,所以运动状态下的受试者主观舒适性不及自然站立状态下的受试者主观舒适性;随着运动剧烈程度的增加,体力消耗变大,受试者在速度为7.5 km/h状态下对助力设备的各项评价等级普遍提高,即满意度均有所降低。

由图4还可知,3种不同状态下,滑脱感和重量感明显优于束缚感、压迫感和柔软感。其中,柔软感较差是涤纶织物力学强度较高、舒适性不足所致;为了运动过程中助力设备能足够贴合,将助力设备穿戴过紧,会导致束缚感和压迫感较强,滑脱感较弱。由此可见,在日常生活中,适当放松助力设备可获得更加舒适的穿戴感。

3.2 客观助力效果分析

在4.0 km/h和7.5 km/h的运动速度下,受试者穿戴和未穿戴柔性踝关节助力设备时的心率数据如表7和图5所示。

表7 穿戴和未穿戴助力设备时的心率统计

图5 心率变化图

由表7和图5可以清楚地看出:(1)在4.0 km/h和7.5 km/h的运动速度下,受试者穿戴柔性踝关节助力设备时的心率均低于未穿戴柔性踝关节助力设备时的心率,穿戴柔性踝关节助力设备时的平均心率较未穿戴柔性踝关节助力设备时的平均心率分别降低了2.79%和4.60%。(2)相较于4.0 km/h的运动速度下穿戴和不穿戴助力设备时的心率,7.5 km/h的运动速度下穿戴助力设备的心率明显低于未穿戴助力设备时的心率,说明运动越剧烈,助力设备对受试者心率的影响越明显,对穿戴者的助力效果越大。穿戴柔性踝关节助力设备有利于控制穿戴者心率的增长,具有一定的助力效果。

对不同运动速度下穿戴和未穿戴助力设备的心率数据进行配对样本t检验分析,结果如表8所示。

表8 配对样本 t 检验分析结果

从表8可以看出,在2种不同的运动速度下,未穿戴和穿戴助力设备均呈现出0.01水平的显著差异性。进一步比较其平均值差值发现,7.5 km/h时的平均值差值(7.19 次/min)明显高于4.0 km/h时的平均值差值(2.97 次/min),说明随着运动速度的增加,该设备对人体心率的影响越明显,对穿戴者的助力效果越好。

4 结语

柔性下肢助力设备作为一种柔软、轻便、便携的可穿戴设备,可为老龄化人群及受伤患者提供康复与助力作用,具有很大的应用前景。本文采用柔性纺织材料设计了一款可穿戴柔性踝关节助力设备,实现了踝关节背屈辅助。助力设备采用3种不同的纺织材料制成,且这些材料都具有柔软性、适应性和轻量性。相比传统的刚性材料,纺织材料可赋予助力设备更好的柔性,使助力设备在运动状态下更贴合人体。设计中还充分考虑了不同使用者的个体差异,通过调整材料紧度实现个性化需求,使其能更好地适应用户的踝关节,提供更舒适的穿戴体验。

本文通过穿戴测试,从主观评价和客观评价两方面验证了该助力设备的穿着舒适性和助力辅助效果。结果表明,对于在平坦地面行走或跑步的受试者,弹性驱动的柔性踝关节助力设备应具有以下优点:(1)可提供踝关节背屈的运动辅助;(2)增加到穿戴者腿部的额外负重较小,使用者没有太多额外的负担;(3)日常活动中,穿戴助力设备的心率低于未穿戴助力设备的,且活动越剧烈,心率差别越明显,助力设备能提供一定的助力和安全保障。

未来,将进一步优化柔性服装的结构,使其产生更好的效果。特别是优化纺织组件设计;对柔性设备的总体弹性或刚性进行加强,优化柔性设备的疲劳性;设计中增加与需求相关的更多的定量化指标,为穿戴者提供更好的辅助调节;对柔性踝关节助力设备展开更广泛的人体穿戴测试,更多地证明其在中风患者中的应用潜力。