迈向可及的行动辅助：面向被动式、多功能、低成本膝关节外骨骼的用户中心设计

文献标题

Towards Accessible Mobility Support: User-Centered Design of a Passive, Multi-Functional, Low-Cost Knee Exoskeleton

出版信息

• 主题领域: 用于移动辅助的被动膝关节外骨骼的设计与评估。
• 关键词: 被动外骨骼、膝关节支架、步态康复、以用户为中心的设计、辅助技术、负载触发机制、穿戴性、可及性、人机交互、康复设备。

背景与问题

• 问题/挑战: 现有膝关节支架要么是静态的，导致不自然的步态模式和高弃用率，要么是机器人式的，重量大、复杂且昂贵。缺乏可及性强、适应性高的膝关节支持解决方案。
• 意义: 解决这一空白有助于改善膝关节损伤患者的移动能力、安全性和康复效果，特别是那些经历膝关节屈曲或不稳定问题的个体。
• 动机与相关工作: 现有研究主要集中于静态支架和机器人外骨骼，但这些解决方案未能在适应性、成本和可用性之间取得平衡。本文旨在通过以用户为中心的方法设计一种被动、自适应的膝关节外骨骼来弥补这一空白。

解决方案

• 提出的方法: 一种完全被动的膝关节外骨骼，通过脚下的机械触发器与步态周期同步锁定和释放膝关节，无需电子设备或电机即可实现自然行走。
• 创新点:
  1. 开发一种负载触发的锁定机制，可根据步态周期进行自适应。
  2. 完全被动设计，结合静态支架的可及性与机器人系统的适应性。
  3. 以用户为中心的设计过程，涉及临床医生和矫形器用户以识别需求和约束。
  4. 对原型进行技术和定性评估，突出其可行性和康复潜力。
• 流程与关键技术:
  1. 设计可锁定膝关节、机械与逻辑门以及负载触发开关。
  2. 将这些组件集成到轻量化、袜子式的可穿戴形式中。
  3. 通过技术测试（如锁定强度、响应时间）和利益相关者访谈评估原型。

结果

• 具体发现:
  • 外骨骼重量为0.95千克，材料成本为38美元。
  • 锁定机制可承受高达510 N的力，足以支撑步行期间的典型膝关节负载。
  • 响应延迟：锁定为248.6毫秒，释放为318.8毫秒，与步态周期良好匹配。
  • 使用设备行走时的膝关节运动范围为6.45°–55.81°，相比自然行走（0°–70°）略有减少。
• 相较基线的优势:
  • 结合了静态支架的轻量化、低成本特点与机器人系统的自适应功能。
  • 支持自然步态机制，包括在不平坦表面、楼梯以及坐站转换时的行走。
• 实验/评估:
  • 技术测试：负载触发开关阈值、锁定机制强度以及步态周期中的功能响应。
  • 定性评估：通过6名参与者（4名临床医生，2名患者）的访谈，突出功能性、可及性和穿戴性。
• 局限性与未来工作:
  • 当前原型针对单一用户设计，需要更广泛的测试和个性化。
  • 材料（PLA、尼龙）不适合长期使用，需要探索耐用替代品。
  • 穿戴问题、鞋兼容性和袜子卫生需进一步优化。
  • 未来方向包括步态研究、临床评估以及先进材料和定制工具的整合。

总结

本文介绍了一种完全被动、低成本的膝关节外骨骼，通过机械触发器自适应地与步态周期同步锁定和释放膝关节。该设计结合了静态支架的可及性与机器人系统的适应性，解决了膝关节辅助领域的关键挑战。技术评估证明了其可行性，临床医生和患者的定性反馈则突出了其在康复和日常使用中的潜力。未来工作将重点放在更广泛的用户测试、材料耐久性以及进一步优化以增强穿戴性和个性化。