下半身輔具及防跌倒機構之設計

Abstract

近年來，高齡化的現象越來越明顯，年長者的比例大幅度的上升，而防止老人跌倒的問題就成了一個很大的議題，在年長者中有將近三分之一的人曾發生過跌倒，然而，這情況發生後發生第二次跌倒的機會更大，在第一次跌倒後，需要耗費大量的人力以及社會成本來照顧以及避免再次的跌倒。人們常說預防勝於治療，本論文希望可以藉由下半身外骨骼輔具的機構設計，在特定的步態下，將小腿以及大腿的相對轉動固定，期望能夠達到防止跌倒的功能，藉此減少因老人跌倒而造成的人力及社會成本。 首先，為了不讓老人穿上下半身外骨骼後，反而造成其身體不方便，所以，我們希望外骨骼的機構可以很適合人體，我們探討下半身的兩的關節，膝蓋關節以及髖關節，膝蓋關節是一個鉸鏈關節，除了轉動以外，膝蓋關節還有滑動的動作，然而，膝蓋是一個包括前後十字韌帶以及多條肌肉連動所形成的結構，為了避免下肢外骨骼輔具設計太過複雜以及過於笨重，膝蓋的部份我們將其簡化成只有鉸鏈關節。然而，不同於其他的下肢輔具，我們希望可以把原有大部分下肢輔具中，膝蓋關節部分的馬達用簡單機構的方式取代，以此降低整體輔具的重量。然後，髖關節的部分是球窩關節，擁有屈伸以及內收外展的自由度，但其轉動軸心在身體內部，以穿著在外的輔具來說，則是將兩個自由度分別拆開，並且將兩個自由旋轉軸心交於髖關節的球窩中心，以此達到類似髖關節的運動方式，而髖關節的部分，雖然有兩個自由度，我們只考慮使用馬達控制屈伸的自由度，以此來抬起外骨骼輔具，至於內收外展的自由度，目的是為了使穿戴著不會因此外骨骼而限制其原本習慣的走路狀態，所以將其變成被動的轉軸，當行走的時候他會隨者人而自己轉動。 再來，我們有了外骨骼的雛形後，再分析步態的細節，找出可以防止跌倒的可能性，我們在小腿及大腿發生相對轉動的膝蓋上，設計出一個滑軌以及滑塊的機構，藉此可以達到在單腳站立的步態時，限制膝蓋關節的轉動，達到固定且防止跌倒的效果，但這個固定卻不會使腳在擺動步態的狀態時，限制住大腿及小腿的相對運動，換言之，藉由此機構，達到需要固定時固定之，需要使膝蓋關節轉動時，讓它轉動。 最後藉由向量迴路法，分析出適合的尺寸及大小，並且先以木頭製造出簡單的模型，再將此模型大幅度縮小及美化，製造出最後的模型。實驗部分，希望可以由外骨骼的角度變化，配對其正常人的角度變化，看是否此外骨骼的設計可以貼近實際人類的行走狀態。而在於防跌倒機構的部份，可知機構已達到我們期望的效果，但是至於此效果可否達到防止跌倒的功能是否，目前還沒找到驗證的方法，未來會尋找一個適合驗證的方案。

The population of the elders has dramatically increased, and fall prevention has become an important issue for elders care. This paper attempts to design a lower-limb exoskeleton, which could fix the relative rotation of the thigh and calf at specific gait to make the function of fall prevention and helping elder’s walk. Unlike other assist devices, we replace the motor by special mechanism at knee joint for reducing the weight and making control easier on the device. We separate hip joint into two axes (rotation of flexion/extension and adduction/abduction) on the assistive device and make these two axes intersect at the center of the hip joint. Therefore, we can make the joint on the assistive device similar to hip joint. Based on human gait, we design a slider mechanism on the knee part that could be fixed for the leg at its state. Finally, we optimize the design and test a metal prototype. Through experiments, we measure the rotation about hip and knee to verify the function of our assistive device. About the fall-preventing mechanism, we can know the mechanism can reach our purpose, but we don’t know whether this method can reach fall-preventing. In future, we will find some methods to prove the fall-preventing.