下肢活动辅助器设计与制作＊

邓云桂，贺菊香，向孝勇

（1.怀化学院，湖南 怀化 418000；2.怀化市第二人民医院，湖南 怀化 418000）

1 设计背景

目前，因脑血管意外、脑外伤、脑肿瘤和其他疾病导致单侧或双侧下肢活动功能障碍患者要恢复日常的行走、下蹲、起立和站立等活动是比较困难的。究其原因主要是瘫痪下肢上抬无力、足背伸跖屈无力和站立时膝关节无力支撑（即膝关节无法维持伸直状态），下蹲和起立困难是下肢伸肌张力不够，远端完全瘫痪患者后期下肢保持伸直张力状态可以用于支撑但依然是上提乏力。

现有的下肢功能锻炼辅助器不能满足这些要求和使用不便，电助力外骨骼系统则复杂昂贵，同时受电池电量影响。为了克服瘫痪下肢上抬无力、足背伸跖屈无力、站立时膝关节无力支撑和下肢伸肌张力不够导致的下蹲和起立动作困难，本装置提供一种瘫痪下肢简易辅助活动器械。该辅助器不仅能帮助患者轻松地抬起下肢、帮助稳定踝关节和膝关节，还能帮助患者完成下蹲和起立等动作。

2 设计方案

下肢活动辅助器所采用的技术方案是：做一个弧形支撑板，中部有腰带可以系在人体腰背部，其两侧下端是向前下方伸出的臂，两臂在支撑板背面可调宽窄，两臂外侧连接达髋关节部位的关节结构（此处机械关节且称之为助髋关节，以下机械部位称法类同），该助髋关节又连接于助大腿杆。助小腿杆上下分别通过助膝关节和助踝关节活动式连接助大腿杆和足底板，其中的连接处可根据需要调整长短。在助大腿杆上下端分别有用于将助大腿杆和大腿固定在一起的固定带，在大腿杆中有张力可调的弹簧结构，通过钢绳来牵拉助大腿杆向前上运动。当该弹簧力量调到与瘫痪下肢重力相等的时候，患者只需用残余的微弱肌力就可以抬起下肢和落下患肢。在助小腿杆上下端分别有用于将助小腿杆和小腿固定在一起的固定带，在助小腿杆中有张力可调的2组弹簧结构，通过钢绳来产生牵拉张力，一组（权称甲组）牵拉助小腿杆向前运动以保持膝关节一定的张力，当患肢膝关节不能支撑的时候可以调大张力，以保持膝关节呈伸直状态；另外一组（权称乙组）则当小腿弯曲达到30°以后才开始工作，通过调节该组弹簧张力到合适的大小，当患者下蹲或起立的时候，助大腿杆和助小腿杆由弹簧产生相当的张力，帮助患者完成缓慢下蹲或起立动作。这2组弹簧是在同一根钢绳的不同部位发力，甲组弹簧是小张力弹簧，既有维持钢绳保持张力状态的作用，又有维持膝关节在0°～30°范围内张力的作用。

在足底板前后端分别有用于将足底板和足部固定在一起的固定带，足底板与助踝关节前后分别有同等张力弹簧压制，使足底板始终保持与小腿杆呈垂直状态，但也可以适当背伸和跖屈（±15°）。活动式的助髋关节、助膝关节和助踝关节只能在限定的范围内前后（或称为上下）方向旋转移动，但无法左右移动。整体结构图见图1.

3 制作过程

3.1 背部支撑板连接

背部支撑板与助髋关节连接，助髋关节下端与助大腿杆连接，助大腿杆下端与助膝关节连接，助膝关节下端与助小腿杆连接，助小腿杆下端与助踝关节连接，助踝关节下端与足底板连接，所有连接端都可以延长或缩短，以适应不同患者肢体长度的要求。其中，腰带可将背部支撑板固定于患者腰背部，多个固定带可以分别将助大腿杆固定于患者大腿外侧、助小腿杆固定于患者小腿外侧和将足底板固定于患者足部下部。背部支撑板用热变形材料做成与患者背部弧度一致的弧形，但它后下方的背部固定板不可变形，并通过它与“L”型连接杆和助髋关节上板间的连接完成与助髋关节的连接。

3.2 助髋关节连接

助髋关节上板位于助大腿杆上端和助髋关节护板之间，形成可旋转助髋关节结构；大腿部拉力钢绳起于位于助大腿杆中间的大弹簧盒子内的大弹簧下端，向上通过助大腿杆内定滑轮后行走于助髋关节上板的助髋关节钢绳槽内，并止于其助髋关节钢绳固定点。

当助髋关节上板向后下方弯曲的时候，则大腿部拉力钢绳拉动大弹簧盒子内的大弹簧下端向上移动，大弹簧则产生对抗牵引力，牵引力的大小则由位于助大腿杆中间的大弹簧盒子下面的弹簧张力调节盒子来调节。

图1 下肢活动辅助器整体结构图

3.3 助膝关节连接

助膝关节上板圆形部位于助小腿杆上部和助膝关节护板之间，形成可旋转助膝关节结构；小腿部拉力钢绳起于位于助小腿杆内大弹簧盒子的大弹簧下端，向上通过助小腿杆内2号定滑轮转向后向下行走，又通过助小腿杆内动滑轮向上行走，再通过小腿杆内1号定滑轮转向后行走于助膝关节上板的助膝关节钢绳槽内，并止于其助膝关节钢绳固定点；助小腿杆内动滑轮连接于位于助小腿杆内小弹簧盒子的助小腿杆内动滑轮拉力钢绳下端，助小腿杆内动滑轮只可在其内上下移动到固定的顶部和底部，其长度相当于助膝关节弯曲0°～30°的钢绳行程；在小弹簧盒子的下面有弹簧张力调节盒子，通过连接于小弹簧盒子内小弹簧上端的弹簧拉力调节钢绳调节小弹簧的拉力；在大弹簧盒子下面的弹簧张力调节盒子亦通过连接于大弹簧盒子内大弹簧上端的弹簧拉力调节钢绳调节大弹簧的拉力。

小弹簧拉力可保持小腿部拉力钢绳处于紧张状态，并可在助膝关节弯曲30°以前产生对抗张力，当膝关节弯曲达到30°以后，动滑轮到达顶端不能再向上移动，此后小腿部拉力钢绳则通过向上拉动大弹簧产生移动，大弹簧亦产生更大张力对抗助膝关节的弯曲；反之，当助膝关节由大于30°的弯曲状态转为伸直状态的时候，首先是大弹簧复位到底部，然后是动滑轮由顶部降到底部。

3.4 助踝关节连接

助踝关节上板（“T”型臂）中下部位于助踝关节下板和助踝关节护板之间，形成可旋转助踝关节结构；助踝关节下板与足部固定板按患者踝部高度固定连接，然后将与助踝关节上板（“T”型臂）前臂和后臂通过踝部弹簧可旋转式活动连接的限位螺帽筒旋转到对应垂直限位螺杆，使前后踝部弹簧达到需要的张力位置时再拧紧限位螺帽，使限位螺帽筒相对固定不再可旋转；患者足部用通过内侧挡板、后挡板、外侧挡板和前挡板孔的固定带固定于足底板。

3.5 控制阀连接

上、下控制阀分别通过上、下控制阀轴连接在弹簧张力调节盒子外壳内侧对应的角上，并通过弹簧使它们压向中间部位，上、下控制阀外侧支均与卷钢绳盘的齿轮内侧半接触，并先后（每1/8圈交换）独立控制卷钢绳盘，使其不能负向旋转，上、下控制阀内侧支则均与松解轮齿轮外侧半接触；通过卷钢绳盘的钢绳固定槽将弹簧拉力调节钢绳起端固定在卷钢绳盘的盘中间位置；外侧牵引盘和内侧牵引盘均固定在主轴上与主轴同步旋转；外侧牵引盘的内部牵引支与卷钢绳盘的齿轮外侧半接触。

当外侧牵引盘正向旋转时，通过其内部牵引支带动卷钢绳盘随动正向旋转并将弹簧拉力调节钢绳转入旋转盘内；当外侧牵引盘负向旋转旋转时，则不能带动卷钢绳盘随动旋转。内侧牵引盘的内部牵引支与松解轮齿轮内侧半接触，当内侧牵引盘负向旋转时，通过其内部牵引支带动松解轮齿轮随动负向旋转并先后（每1/8圈交换）顶起或放下上控制阀内侧支（或下控制阀内侧支），控制阀外侧支则与同阀内侧支同步被顶起或放下；当内侧牵引盘正向旋转时，其内部牵引支则不能带动松解轮齿轮随动旋转；当弹簧拉力调节钢绳已经转入旋转盘内时，必产生使卷钢绳盘负向转动的力，但受到上、下控制阀外侧支阻止，负向旋转主轴旋转盘则通过主轴传递到内侧牵引盘，使其牵引支带动松解轮齿轮负向旋转而先后顶起和放下（每1/8圈交换）上、下控制阀内侧支，上、下控制阀外侧支亦被依次顶起和放下，卷钢绳盘则依次得到松解，每次可回退（负向旋转）1/8圈，如此交替回退至卷钢绳盘负向转动力为零时卷钢绳盘停止负向转动。

4 总结

下肢活动辅助器是一种辅助下肢瘫痪患者完成行走、下蹲、起立和站立功能的下肢活动辅助器，也可以用于辅助下肢骨折和下肢瘫痪患者进行功能锻炼。它是在背部支撑板两侧下端，助髋关节、助大腿杆、助膝关节、助小腿杆、助踝关节和足底板顺序连接，关节部位通过连接在弹簧上的钢绳来获得关节弯曲时候对应的辅助力量，弹簧压缩过程中的张力大小通过弹簧张力调节盒子来调节。该装置的有益作用是帮助瘫痪下肢轻松向上抬起和落下，可以按需要保持膝关节适当的张力和维持踝关节的稳定，结构简单，使用方便。