可穿戴膝关节重力支撑减荷装置设计

齐浩楠

Qi Haonan

燕山大学 机械设计制造及其自动化

1.设计目的

膝骨关节炎是造成老年群体下肢功能障碍的主要病因之一，相关患者数量逐年增加，造成了极大的经济和社会负担。根据膝关节生物力学原理，在膝骨关节炎早期阶段，借助膝关节外骨骼或支具，通过力学矫正方法改变膝关节内外两侧受力分布，能减轻患者疼痛，给关节软骨的修复提供一定的时间。

本课题旨在设计一种可以方便穿戴在膝骨关节炎患者下肢的无源机械结构，将本应作用在膝关节上的部分力转移到能承受力的膝关节周围骨骼和肌肉上，改善病变的膝关节受力情况，辅助膝骨关节炎前中期药物或运动治疗，提高使用者的行动能力，达到炎症的缓解治疗目的。

2.基本原理及方法

本课题设计的可穿戴膝关节重力支撑减荷装置主要分为绑缚部分、活动关节部分、小腿滑移部分、弹簧减荷部分以及承力支架部分。主要完成的工作如下：

（1）资料收集。通过查阅大量文献，对装置的减荷方式、减荷动力、活动关节等部分进行方案设计，并通过分析评价选取了最佳方案，确定了装置需满足的物理参数和性能指标，并对各个部分进行初步设计。

（2）设计建模。对装置的总体和各个部件进行了结构和尺寸设计，形成了各部分的工作原理，并使用SoildWorks对装置整体建立了模型。

①绑缚部分：确定了装置与人体的接触方式，使用更贴合人体结构的柔性材料。设计时尽量缩小这部分的整体尺寸，在保证穿戴时不产生大幅度滑脱的同时尽量减轻质量。

②活动关节部分：确定关节的自由度和关节处的连接方式。能够保证在设计上不主动模拟膝关节运动J形曲线的同时，装置能从动配合膝关节的运动，不会造成装置失效。

③弹簧减荷部分：这部分是实现装置减荷功能的关键部分，使用者可以根据减荷目标的不同来更改弹簧的弹性模量和不同的弹簧初始拉伸长度，通过储存和利用运动时弹簧的弹性势能来克服使用者自身一部分体重，实现膝关节减荷的功能。

④小腿滑移部分：与活动关节部分一起配合保证装置的使用流畅性和舒适性。

⑤承力支架部分：装置减少的载荷通过这部分导入地面，可调节设计，保证了不同身体指标的患者都可以便捷地根据自身情况对装置进行调整适配。

（3）分析校核。对可穿戴膝关节重力支撑减荷装置的减荷比进行了分析计算，利用ANSYS软件对活动关节部分和承力支架部分的强度进行了校核，并对装置进行了经济性分析。

（4）装配调试。对加工完成的零件进行手工装配，最终完成可穿戴膝关节重力支撑减荷装置实物的装配与调试。

3.主要设计过程或试验过程

1）可穿戴膝关节减荷装置整体设计

膝关节以上部分的关节外侧板的长度设计为 210 mm，设计大腿绑缚外壳长为 200mm，宽为 130 mm，两者在完成装配后总长为 280 mm。设计的关节下侧板长为 274 mm，小腿承力板长为 280 mm，承力支架部分长为 142 mm。其中，小腿承力板和承力支架两者总长可以在 332 ~392 mm调节，每 10 mm为一挡，共有 6 个挡位可供调节。膝关节以下的部分一起装配的总长在 432~492 mm。

2）可穿戴膝关节减荷装置绑缚部分设计

大腿绑缚部分由尼龙制大腿绑缚外壳、柔性绑带和柔性内衬组成。大腿绑缚外壳使用尼龙材料制成，质量轻、体积小、方便加工塑形，其弯曲角度为 150°，长度为 200 mm。柔性绑带采用市面上常见的魔术贴进行粘贴定位，构造简单、成本低、调节简单、使用门槛低、绑缚效果好，适用于不同腿围的患者。

柔性内衬则使用软体硅胶防滑布料和柔性记忆海绵针织而成。而柔性记忆海绵则柔软弹性好，可增加装置的穿戴舒适性。柔性绑带长度为 75 mm，满足正常成年人大腿围 46~60mm、小腿围 33 mm~48 mm的要求，并预留了一定的重叠部分方便魔术贴粘贴定位。

小腿绑缚部分的绑缚钣金件则使用可塑性强的镀锌铁板制成，材料耐磨耐用，方便手动弯折改变形状，使用过程中还具有一定的刚度。相比于大腿绑缚外壳的尼龙材料，其更容易贴合腿部轮廓，而更紧密的尺寸方便与小腿肚组合定位。

3）可穿戴膝关节减荷装置活动关节部分设计

活动关节部分由关节外侧板、关节内侧板、关节外壳、弹簧复位机构、关节轴、关节挡板、挡边轴承、两侧限位片、关节下侧板以及多组不同型号的螺钉、螺母组成的。

在人体行走过程时，膝关节的转动轴线轨迹呈J形，为了使活动关节部分能够拟合这部分J形轨迹，采用了增加装置膝关节自由度的解决方法，在其原有的膝关节竖直滑移和大小腿于关节处相对转动两个自由度的基础上，增加了能使膝关节水平滑移的自由度。这 3 个自由度的设计可以保证运动过程中装置的关节轴转动副位置与膝关节轴线对齐，保证装置运动的流畅性。

4）可穿戴膝关节减荷装置弹簧减荷部分设计

弹簧减荷部分由小腿承力板、定位部件、调力部件和拉簧组成。

进行调力操作时，使用者从调力部件内侧按下调力按钮，解除了调力部件与关节下侧板的装配关系，使调力部件可以在定位部件上自由滑移，等到目标位置时再松开按钮，由于弹簧的作用按钮被推回，其完成调力部件与关节下侧板的装配，完成了对弹簧初始长度的改变，也就是改变了装置的初始减荷力。

运动时，装置下端先接触地面，随后患者脚后跟落地，承力板相对于足底向上移了一段距离，于是装置上端凹槽部分会牵引拉伸弹簧使其完成弹性形变，存储弹性势能，其弹力会经由调力部分的吊钩传导至关节下侧板，最终通过大腿绑缚外壳作用于大腿上，平衡一部分身体重力，实现减荷功能。在一侧完成承力后，足底离开地面，弹簧长度缩短，弹簧弹性势能释放，另一侧开始进入承力阶段，如此完成一个运动周期。

5）可穿戴膝关节减荷装置小腿滑移部分设计

小腿滑移部分包括小腿绑缚架和内侧定位板。它由螺钉固定在两个小腿承力板内侧。因为小腿的宽度小于大腿，所以两侧小腿绑缚架的位置要在大腿绑缚外壳的内侧 20 mm处，这个设计会使小腿绑缚架更加贴合小腿，绑缚效果更好。小腿绑缚架则要确保能在内侧定位板上顺畅滑移，和活动关节部分一起配合可以避免因为膝关节运动轴线轨迹与转动副未对齐引起的装置运动卡死失效。

6）可穿戴膝关节减荷装置承力支架部分设计

承力支架部分主要分为长度调整板、调整固定轴、旋钮、垫块、拉压传感器和防滑万向脚垫这六部分组成。其中，长度调整板、调整固定轴、旋钮这三部分通过和小腿承力板下端的定位槽配合可以根据使用者的不同腿长调整装置相对于脚底的伸出长度，长度调整板和小腿承力板上各设计有长为 80 mm的定位槽，通过调整固定轴的装配位置，可以调节这部分总长为 332 ~392 mm，保证不同穿戴人群都能有 30 mm长的减荷缓冲长度。而拉压传感器则是为了收集穿戴者运动过程中装置的减荷受力情况，方便根据穿戴者运动时的穿着体验进行装置的迭代优化。

4.结论

（1）设计了一个具有 3 个自由度的可穿戴膝关节重力支撑减荷装置，能够良好地拟合人体膝关节运动轴线的变化。装置总高度为 756 mm，总质量为 2.82 kg，关节处最大回转角度为 120°。

（2）本课题的设计将本应作用在膝关节上的部分载荷转移到大腿部位的骨骼和肌肉上，改善病变的膝关节受力情况，解决了市面上产品不宜长时间佩戴、减荷效果不好的问题，辅助膝骨关节炎前中期药物或运动治疗，提高使用者的行动能力，达到炎症的缓解和治疗目的。

（3）设计了一种全新的膝关节活动机构——三自由度轴线调整机构，有效地解决了单转动副无法拟合人体膝关节运动轴线的问题，更能贴合人体运动实际。

（4）利用SW软件对所有零部件进行了三维建模与三维模型装配，有效检查并排除了未知的干涉情况。

（5）成功安装并试穿了可穿戴膝关节重力支撑减荷装置实物。

5.创新点

（1）巧妙利用人自身的重力，采用弹簧这一弹性元件来对膝关节进行减荷，对患者正常行走的影响较小。

（2）设计了一款全新的膝关节活动机构，设计巧妙，质量轻、体积小，无须定制，与膝关节运动轴线自动对齐。

6.设计图或作品实物图

可穿戴膝关节重力支撑减荷装置的三维模型图如图 1 所示，装配实物图如图 2 所示。

高校指导教师：陈子明；企业指导教师：刘飞 M40XNCgSwX8/5oZP5v6N6DskNPBgeYmzfWIPqeZCeFNTxdVGmftt7EG7BjI4JAOX