下肢康复助行机构及其液压系统设计

　　随着社会的发展,人们对医疗康复的要求越来越高,其目的是克服人类由于意外事故、先天缺陷、疾病、战争和机体老化等因素产生的功能障碍或残疾,使其最大程度地恢复或代偿原有功能,实现最大限度的生活自理,提高生活质量。目前,应用于四肢康复领域的产品很难完全满足患者的要求,就下肢康复设备而言,产品功能单一,智能化程度并不很高,尚无康复与助行于一体的产品。本文设计的下肢康复机构包括抬升机构及穿在身上的三自由度助行机构,在设计时充分考虑了穿戴的舒适性和经济性,完成了下肢康复助行机构及液压驱动系统的设计。

　　1　下肢康复助行机构

　　下肢康复助行机构主要包括穿戴在身上的助行行走机构和抬升机构。通过这两个装置,使得病人能够在无他人帮助的情况下,进行功能锻炼以恢复健康。

　　1.1　助行行走机构

　　下肢运动关节主要包括髋关节、膝关节、踝关节3个部分,共5个自由度。它们的运动主要包括:一是大腿的大幅度前摆,小幅度的后摆和侧摆;二是膝关节的大幅度后摆;三是足部绕踝关节在竖直平面内的转动,足部绕踝关节在水平面内的转动。下肢助行机构就是帮助病人完成上述功能的康复机构。在机构设计上留出一定的空间,使踝关节在水平面内自由转动,为此,确定下肢助行装置的自由度数为3个,即大腿绕髋关节的转动,小腿绕膝关节的转动,足部绕踝关节的转动。人体各关节的运动速度总的来说还是在一个较小的范围之内,考虑到机构的使用者是康复患者,故设定康复机械各部分的角速度范围为:0°~3°/s。各关节的运动既可以是单独运动,这样可以实现对特定关节的康复,也可以是联合起来的复合运动,实现整个下肢的康复。髋关节前/后摆动的范围90°~-10°,膝关节向后摆动的范围为120°~0°,足部绕踝关节转动的范围为30°~-30°。助行行走机构的简图如图1所示。

　　1.2　抬升机构

　　抬升机构属于下肢康复助行机构的一部分,用于帮助患者从坐姿到立姿的变换,而无需第三者的帮助。抬升机构是基于普通轮椅车架下的一种实用新型的改进,是下肢康复轮椅车的关键部件。轮椅车总体上采用普通轮椅的结构,但是在结构尺寸上有所加大,因为在其内部加装抬升机构。抬升机构用液压缸驱动,因为液压缸工作可靠,功率体积比大,动作迅速且刚度好。

　　如图2所示,抬升装置中包含4个液压缸C1~C4和1个平台。液压缸的活塞杆刚性加长段彼此相铰接于R2、R4、R5、R7。液压缸C1、C3的底座通过铰轴R1、R6铰接在地面上,因此这两个液压缸可以绕着相应的铰轴摆动但不能移动。液压缸C4分别通过铰轴R8铰接在平台上,从而使得液压缸C4可以摆动。液压缸C2在铰轴R3处支撑着平台,该液压缸可以摆动并且可以在平台底表面上的导槽中左右自由移动。