基于人機工程學(xué)的無動力下肢外骨骼設(shè)計研究

常淳 趙聰明 李浩軒

摘要：本文以為普通人和有負重需要的人提供助力為目標，對無動力下肢外骨骼進行設(shè)計。在保證結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上力求滿足質(zhì)量輕、操作簡便、人機協(xié)調(diào)等目標。在人機工程學(xué)和人體步態(tài)運動規(guī)律的基礎(chǔ)上提出一種無動力下肢外骨骼的設(shè)計概念，設(shè)計了該外骨骼各關(guān)節(jié)的自由度數(shù)、部件參數(shù)等關(guān)鍵信息，在上述基礎(chǔ)上對外骨骼進行詳細設(shè)計，并對其進行分析測試。最終基本完成了設(shè)計原型，符合預(yù)期目標，下肢外骨骼實現(xiàn)了對使用者助力的目的，滿足了相關(guān)結(jié)構(gòu)強度要求。實驗結(jié)果表明下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工作模式符合設(shè)計要求，為進一步探索下肢外骨骼的設(shè)計打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：人機工程學(xué);無動力下肢外骨骼;設(shè)計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）04-0030-03

隨著人類社會科技的進步，人類越來越接近自己身體的物理極限，于是能夠增強人體性能的輔助設(shè)備相繼被開發(fā)，外骨骼應(yīng)運而生。外骨骼系統(tǒng)是一種能夠為其穿戴者強化身體機能的可穿戴設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)方面，外骨骼可以減輕使用者的身體負重，用以提高使用者的勞作效率、加速生產(chǎn);也可以用于醫(yī)療行業(yè)，助力病人的康復(fù)，給予病人重新行動的能力;在軍事方面，外骨骼的前景也十分廣闊，給士兵配備外骨骼，可以有效提高單兵作戰(zhàn)能力，提高軍事能力。本文針對現(xiàn)有下肢外骨骼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提出由彈簧和液壓結(jié)合提供動力，在不需要動力來源的情況下，通過將使用者自身重力勢能轉(zhuǎn)化為彈簧、液壓桿的勢能來進行助力，這樣的創(chuàng)新點在于結(jié)構(gòu)簡單、制造簡便同時成本較低。該外骨骼通過合理的布局和設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)人機協(xié)調(diào)，為使用者提供有效的助力。

1 人機工程學(xué)概述

人機工程學(xué)是研究人與系統(tǒng)中其它因素之間的相互作用，以及應(yīng)用相關(guān)理論、原理、數(shù)據(jù)和方法來設(shè)計以達到優(yōu)化人類和系統(tǒng)效能的學(xué)科，又稱“人因工程學(xué)”“人類工效學(xué)”等。人機工程學(xué)的人與系統(tǒng)包括“人——機——環(huán)境”，其中人指操作者或使用者;機泛指人操作或使用的物，可以是機器，也可以是用具、工具和設(shè)備等;環(huán)境指的是人、機所處的周圍環(huán)境，如作業(yè)場所和空間、物理化學(xué)環(huán)境和社會環(huán)境等。人機工程學(xué)主要研究內(nèi)容可以概括為：第一，人的能力，包括人的基本尺寸、人的作業(yè)能力，各種器官功能的限度及影響因素等，對人的能力有了了解，才可能在設(shè)計系統(tǒng)中考慮這些因素，使人承受的負荷在可接受范圍內(nèi);第二，人機交互，工作場所和信息傳遞裝置的設(shè)計，主要研究如何設(shè)計合適的環(huán)境和信息傳遞裝置，使人可以舒適高效地工作;第三，環(huán)境控制與安全保護設(shè)計，主要研究從長遠利益出發(fā)，如何設(shè)計環(huán)境及進行安全保護以保證人在長期功能工作下健康不受影響，事故危險性降低到最小;第四，人機系統(tǒng)的總體設(shè)計，人機系統(tǒng)工作效能高低主要取決于它的總體設(shè)計，即在整體上使“機”與人體相適應(yīng)，解決好人與機器之間的分工和機器之間信息交流的問題，使二者取長補短。

2 人體下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與步態(tài)規(guī)劃分析

決定下肢主運動狀態(tài)的主要關(guān)節(jié)包括以下三個：髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和躁關(guān)節(jié)，都屬于活動關(guān)節(jié)，此外，一些不動或者少動關(guān)節(jié)也分布在腳部和踝部，這些關(guān)節(jié)也具有一定的調(diào)節(jié)功能，但在外骨骼設(shè)計中出于考慮簡化結(jié)構(gòu)的目的，一般不做過多考慮。通過分析人體下肢骨結(jié)構(gòu)，可以得出人的各個組成部分是按照剛體規(guī)律運動的，而人作為整體是非剛體的。人體的這種運動形式也稱為關(guān)節(jié)運動，關(guān)節(jié)運動屬于非剛體運動中的一種特殊形式。在下肢運動，大腿的運動是軀干部分的子單位，而小腿是大腿部分的子單位，足部又是小腿部分的子單位，因此可以劃分每個關(guān)節(jié)點的活動范圍為一個自由度，從而可以得到一個人體運動的模型（如圖1）。

2.1人體下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

髖關(guān)節(jié)是股骨和盆骨的連接處，由股骨的大球狀面和髖臼組成，是人體最大，關(guān)節(jié)窩最深，最典型的杵臼關(guān)節(jié)。它具有靈活的特點，同時是上身重量的主要支撐，所以十分堅固。髖關(guān)節(jié)是一種多軸性關(guān)節(jié)，能同時做屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)和環(huán)轉(zhuǎn)等不同的運動。但由于其構(gòu)造原因，股骨頭深嵌在髖臼中，髖臼又有關(guān)節(jié)孟包繞股骨頭近2/3，所以關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)窩的面積相差很小，所以運動范圍也很小。

膝關(guān)節(jié)有三大關(guān)節(jié)包括髕骨關(guān)節(jié)、外脛骨關(guān)節(jié)和內(nèi)脛骨關(guān)節(jié)，由脛骨內(nèi)、外側(cè)踝以及髕骨構(gòu)成，是人體最大且構(gòu)造最復(fù)雜的關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)位于人體最長的兩個杠桿臂大腿和小腿之間，在參與運動或承受負載時十分容易損傷。膝關(guān)節(jié)的主要運動是屈伸，在膝關(guān)節(jié)屈伸的同時小腿部分可以繞垂直軸做小范圍的旋轉(zhuǎn)、收展運動。

躁關(guān)節(jié)由脛、腓骨下端的關(guān)節(jié)面與距骨滑車構(gòu)成，所以又名距骨小腿關(guān)節(jié)，與木匠用的榫頭類似，榫近側(cè)的凹陷形狀是由連接腓骨和脛骨的結(jié)締組織來維持的。踝關(guān)節(jié)狹窄的形狀是踝部的自然穩(wěn)定性的主要來源，因此要具備足夠的穩(wěn)定性來傳導(dǎo)足部與腿部之間的力。踝關(guān)節(jié)不同于上述關(guān)節(jié)，屬于滑車關(guān)節(jié)，可以沿距骨體的冠狀軸做背屈和跖屈運動，另外還可以做小范圍的翻轉(zhuǎn)。

綜上所述，在下肢外骨骼的設(shè)計中，要充分考慮到從仿生學(xué)的角度分析，著重考慮到人體的這些結(jié)構(gòu)特點，比如關(guān)節(jié)的自由度、運動范圍，下肢外骨骼的設(shè)計要盡量模仿人體的結(jié)構(gòu)，使外骨骼能夠達到與人體相仿的自由度，充分模擬人體的運動，如表1。

2.2人體步態(tài)分析

在設(shè)計下肢外骨骼的過程中，考慮到外骨骼要穿在人身上，就必須與人有很好的協(xié)調(diào)性，對人體結(jié)構(gòu)有適應(yīng)性，因此對人進行步態(tài)分析在下肢外骨骼的設(shè)計中必不可少（如圖2）。

對步態(tài)進行研究可以得出：在一個步態(tài)周期中，要經(jīng)歷觸地支撐和離地擺動兩個階段，我們在此分別定義為支撐相和擺動相，支撐相在整個步態(tài)周期中約占65%，擺動相約占35%，同時男女并無明顯差別。所以我們可以將人行走分為：雙腿支撐、左腿支撐、雙腿支撐、右腿支撐。對于這樣的行走姿態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)有一個雙腿支撐的階段，在這個階段，人的兩足是著地的。但隨著人行走速度增加，這個階段會越來越短，直至兩足著地階段消失，形成了“跑”。所以可以看出在運動方式不同的情況下，人體步態(tài)周期會呈現(xiàn)較大的差異，人在運動過程中，人體的一些關(guān)節(jié)和部位會跟隨跨步的周期頻率，也進行著周期性的變化，這為下肢外骨骼的步態(tài)規(guī)劃打下了基礎(chǔ)。

3 基于人機工程的無動力下肢外骨骼設(shè)計分析

3.1設(shè)計要求

綜合上述研究分析，得出了以下幾點設(shè)計要求：（1）下肢外骨骼在一定程度上可以視作使用者肢體的延伸，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要充分考慮人機工程學(xué)和仿生學(xué)，在其設(shè)計中要考慮到人體下肢主要骨骼和肌肉群的分布，了解這些部位在人動作過程中所發(fā)揮的作用，以便更好地理解下肢外骨骼每個部件和結(jié)構(gòu)發(fā)揮的功能;（2）下肢外骨骼應(yīng)具有良好的可穿戴性，穿脫外骨骼不需要經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練，絕大多數(shù)人都可以自主完成順利穿脫;（3）下肢外骨骼應(yīng)具備可調(diào)節(jié)性，下肢外骨骼要能夠適應(yīng)各種使用者的身材，做到尺寸可調(diào)節(jié);（4）下肢外骨骼與人體之間要盡量減少相互干擾，減少人與外骨骼之間的接觸面積，減少穿戴上外骨骼后對人體各方面的限制;（5）下肢外骨骼要有足夠的魯棒性，包括外骨骼的材料要有足夠的強度以承受負重，各機構(gòu)之間有良好的對的協(xié)調(diào)性，結(jié)構(gòu)要足夠可靠來應(yīng)對可能出現(xiàn)的沖擊載荷;（6）下肢外骨骼的運動要與人腿的運動具有良好的協(xié)調(diào)性，關(guān)節(jié)自由度的設(shè)置要與人體結(jié)構(gòu)的自由度相匹配，讓使用者覺得順滑自然;（7）下肢外骨骼的設(shè)計歸根到底是產(chǎn)品的設(shè)計，對此要充分考慮到價值工程學(xué)的作用，在滿足功能的同時要盡量減少開發(fā)的難度和產(chǎn)品的成本。

3.2下肢外骨骼人機參數(shù)設(shè)計

除了確定下肢各關(guān)節(jié)的運動范圍外，下肢外骨骼的設(shè)計還要考慮人體下肢其他的參數(shù)，其中最主要的是人的大腿和小腿的長度，因此對這兩個參數(shù)進行著重分析。

根據(jù)我們的設(shè)計對象是成年人，所以選取成年人為分析對象。查閱《中國成年人人體尺寸表》，我們得到如表2所示的數(shù)據(jù)，為了使設(shè)計的參數(shù)覆蓋到更多的人群，在此取第十百分位為下限，第九十百分位為上限，并加入適當?shù)男拚窟M行外骨骼結(jié)構(gòu)桿長的計算。例如，在大腿連桿部分，大腿連桿長度在428mm以下可調(diào)能滿足5%的人使用，在505mm以下可調(diào)則可以滿足95%的人使用，所以當大腿連桿的長度設(shè)置在428mm～505mm之間時可以滿足90%的人使用，以此類推。

3.3下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

髖關(guān)節(jié)處的主要部件為腰帶連接處、球頭連接裝置、轉(zhuǎn)動軸和液壓軸。髖關(guān)節(jié)是用來連接大腿部分和腰部的，人體自然站立時髖關(guān)節(jié)的連接骨在矢狀面和冠狀面與人體均呈36°角，因此采用萬向的球頭連接裝置，保證了大腿的活動范圍，以達到盡可能模擬人的自然態(tài)。

在滿足下肢外骨骼的整體強度的前提下，考慮到產(chǎn)品的重量與便攜性，同時為了簡化結(jié)構(gòu)，大腿連桿內(nèi)部采用彈簧進行緩沖與儲能，再配合大腿后方的液壓桿，可以充分實現(xiàn)壓力的分散和儲能助力目的。在站立狀態(tài)時，彈簧和液壓桿都處于輕微壓縮的狀態(tài)，此時整個人體處于略微前傾的狀態(tài)，當邁出左腳時，左腿上抬要克服重力做功，此時左半部彈簧和液壓桿開始回彈，將兩者的勢能轉(zhuǎn)化為使用者的動能，當左腿落地的時候，腿依靠重力下墜，此時彈簧被壓縮、液壓桿被拉伸，儲存勢能。

膝關(guān)節(jié)則由大腿連桿、小腿連桿、關(guān)節(jié)連接頭和大腿后側(cè)液壓桿組成，在上述的膝關(guān)節(jié)特征分析中已經(jīng)提到過小腿通過膝關(guān)節(jié)和相關(guān)肌肉可以做出屈伸和微小的旋轉(zhuǎn)運動，但由于膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)緊固所以旋轉(zhuǎn)運動基本可以忽略。在膝關(guān)節(jié)的設(shè)計中采用有限元分析，設(shè)計了減重孔，減輕重量。在減重孔中還設(shè)置了限位螺釘，對膝關(guān)節(jié)起到限位保護作用。同時，膝關(guān)節(jié)上側(cè)各有一個金屬撥片，這個金屬撥片是關(guān)節(jié)鎖死的開關(guān)，針對于某些特定操作，使用者需要使用蹲坐的姿勢，此時就可以鎖死膝關(guān)節(jié)機構(gòu)，下肢外骨骼就會形成支架一樣的效果，為使用者提供支撐以達到降低疲勞的效果（如圖3）。

3.4不同助力方式的受力分析

為了驗證下肢外骨骼的助力效果，對人體處于負重模式下采用不同助力方式時進行受力分析的比較，經(jīng)過對比可以明顯看出，當人處于無助力狀態(tài)時，整個負載的重量都會由人體完全承受，經(jīng)由腳掌將壓力分散向地面;當使用手杖時相當于為人體多提供了兩個支撐點，一部分壓力通過手杖被分散;當使用下肢外骨骼時，外骨骼的腰帶部分會對重物起到一個托舉的作用，同時外骨骼依附在人腿的兩側(cè)，人受到的壓力一部分直接由外骨骼傳遞到地面，而外骨骼承重的同時，在彈簧和液壓桿的作用下又會對人體產(chǎn)生作用力，達到助力的效果（如圖4）。

3.5下肢外骨骼的材料選擇

在下肢外骨骼材料的選擇上，既要滿足足夠的強度又要考慮到使用者的舒適性問題，所以在腰帶部分和綁腿兩處的固定織帶和坐墊采用彈性尼龍材料，這種材料既具備彈性又有很好的韌性，利用這種材料解決了穿戴舒適性和操作強度沖突的問題。腰帶護腰部分和足部踏板部分采用了ABS工程塑料，這種塑料具有優(yōu)良的綜合性能，剛性大、蠕變小、機械強度高、絕緣性好，可以在較為苛刻的環(huán)境中使用。主體部分采用了鈦合金，鈦合金兼?zhèn)淞丝垢g、耐酸堿、密度低、強度高等諸多優(yōu)點，很好地貼合了下肢外骨骼主題材料的需求。

4 結(jié)語

在下肢運動分析的基礎(chǔ)上結(jié)合人機工程學(xué)設(shè)計原則，完成了對本下肢外骨骼的設(shè)計，雖然在設(shè)計的過程中部分數(shù)據(jù)的處理和驗證尚且不完備，也缺乏足夠?qū)I(yè)的設(shè)備和實物模型進行步態(tài)的捕捉與獲取，但其設(shè)計原理及理念仍有一定的參考價值，這里驗證了無動力下肢外骨骼的可行性，在一定程度上滿足了提供助力的目的。從功能的角度出發(fā)，該產(chǎn)品實現(xiàn)了以下幾點需求：第一，大大減少膝蓋肌肉的力量，從而減少膝蓋關(guān)節(jié)的力量;第二，可以實現(xiàn)步行，上升/下降樓梯和下蹲，以實現(xiàn)無阻礙的運動，并且僅在需要支持時提供支持;第三，不會阻礙常見的日常活動，例如，上下樓梯，甚至開車或騎自行車;第四，擬人化的輪廓和可調(diào)節(jié)的尺寸可讓使用者自然運動。這些探討分析促進了下肢外骨骼功能、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，為結(jié)構(gòu)簡化提供了思考與參照，在后續(xù)的改進中，還將對現(xiàn)有設(shè)計進一步優(yōu)化，制作出實物模型，進行系統(tǒng)的人體步行試驗和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進一步探索無動力下肢外骨骼設(shè)計的可能。

本文系2019年全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“仿生助力產(chǎn)品設(shè)計”（項目編號：201910216054）;燕山大學(xué)億豐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金資助項目（項目編號：0130005）。

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作者簡介

常淳/1999年生/男/江蘇人/本科/研究方向為產(chǎn)品設(shè)計和人機交互設(shè)計（河北秦皇島066004）