一种外骨骼装置在老年患者护理中的应用

一种外骨骼装置在老年患者护理中的应用

1皮肤薄质患者目前，许多患者因各种事故导致长期昏迷和高度截瘫。如果你不能进行适当的身体训练，你的肌肉就会萎缩。尤其是在肩胛骨、枕骨、肘关节、仙女骨等皮肤薄的地方，很容易形成婴儿伤口。对这类患者的长期、频繁的护理,如定期翻身、经常性活动患者各关节等护理工作显然必不可少,但给患者家属和医护人员带来极大不便。外骨骼(Exoskeleton)原意是指节肢动物身体的坚硬外壳,它为动物自身提供支撑、运动和防护等功能2总体规划与设计2.1外骨骼装置患者被动运动外骨骼由外骨骼本体(简称本体)和外骨骼支座(简称支座)两部分组成,如图1所示。外骨骼本体直接穿戴在患者身上,由内外两层构成:外层是支撑人体重量的硬质装置,由各运动机构、支撑板、杆件组成,采用单片机控制各关节电机,牵连肢体运动;内层是用来隔开人体与外层的柔软垫层,由海绵层、包布层、紧固绳带组成,可以使患者身体起到固定和保暖作用,还可以减小外骨骼装置与人体接触产生的压强。外骨骼支座是外骨骼本体与地面的连接装置。支座可以保证穿戴本体的患者在站立和平躺两种姿态均处于稳态。当患者不需要做被动运动时,支座将本体保持平躺姿态;当患者需要进行被动运动时,支座将本体支撑保持站立姿态,此时,外骨骼上控制各关节运动的电机工作,带动本体进行缓慢、有节奏的运动,进而牵动人体运动,达到帮助患者进行被动运动的目的。2.2正常护理部位分布患者被动式外骨骼机械系统自由度的设计要求与人体的结构及自由度相匹配。人体的各部位长度之间的相对比例是基本固定的,现以中国男性平均身高(1730mm)为设计基准,其身体关节简图及各部位相对尺寸,如图2所示(单位:mm)。正常护理主要针对患者上下肢关节的被动运动,包括肘关节、肩关节、髋关节、膝关节、踝关节。为了减小机构的复杂程度,被动式外骨骼的肩关节处设置两个自由度,其余关节处分别设置一个自由度,可以满足患者主要关节的活动要求。3支架设计优化3.1基于成装法的起落架设计在构型设计时,考虑身高的兼容性,在较大范围内应具有适应性,因此,对支座设计的基本要求是:支座整体长度<2000mm;本体在平躺与站立两种姿态转化时,髋关节垂直位移为距离地面(600±50)mm～(1100±50)mm;转角范围为(80～85)°。3.2外骨骼主体极限位置支座机构运动简图,如图3所示。设计有两套平面四杆机构,图中小圆圈表示铰链。第一套平面四杆机构由杆件CA、BF、FE、CE构成,其中杆件CA(图示实线位置为一个极限位置)可以以C处铰链为圆心逆时针转动到与另一极限位置CA′处。外骨骼本体固连于AX上。第二套平面四杆机构由杆件MB、BA、AN、MN四杆构成,当杆件CA从CA′处运动到CA处,AX杆与CA杆的夹角也同样发生变化,确保人体在较小位移下有较大的转动角。设计两套平面四杆机构的支座以减小运动范围,当人体从平躺姿态到竖直站立姿态,重心在水平方向上的位移约500mm,远小于一套四杆机构的运动范围;在人体处于两个极限位置时,铰链F处于F与F′两处时,均为死点位置,便于固定人体姿态。3.3弹簧刚度与自由振动中全点的运动仿真外骨骼的升降是通过摇动摇杆来实现的,因此在满足运动规律的前期下应使施加在E点处的力矩最小,同时应确保杆件CA在运动中的角速度及其变换情况不会突变,如图3所示。因此利用ADAMS虚拟样机仿真软件优化设计使摇杆处于最小力矩的E点,同时检测CA杆的角速度是否产生突变由CAD绘图确定机构中各铰接点的坐标,以C点为坐标原点,在ADAMS下建立各杆件并在各铰接处添加铰链约束,在CA杆上施加800N的竖直向下的恒力(假设患者与外骨骼合重为80kg),测量放下外骨骼本体时EF杆的运动状态,添加一个测量角MFE的传感器,当其等于0°时,停止动画,仿真结果,如图4、图5所示。图4为所测夹角的变化情况以及E点的力矩随夹角的变化关系,杆件EF的角速度和角加速度随时间变化关系(图中实线代表角速度,虚线代表角加速度),如图5所示。由图4可知,所测夹角变化平稳,且E点的力矩随夹角的变小而变大。当摇杆EF到终点位置时,机构处于死点位置,便于姿态固定。运动中AC杆垂直方向的位移与时间变化的关系,如图6所示。整个过程中A点垂直方向的位移约为500mm,满足设计要求。对E点的X、Y坐标进行参数化设计,E点处的扭矩与该点X、Y坐标变化关系曲线,如图7所示。如表1所示,可知:X坐标越小,扭矩越小;Y坐标越小,扭矩越小。最终优化得出E点的位置为(950,180)。4外骨骼三杆机构设计(1)提出将外骨骼机器人技术应用到患者的康复医疗上,以减轻医护人员及患者家属的负担。(2)外骨骼