基于人機工程學的下肢助力外骨骼造型設計研究

張躍陽　李明

摘要：為解決對外骨骼穿戴舒適度及造型設計研究不足的問題，文章從人體測量學、人體解剖學角度分析了影響下肢助力外骨骼設計的要素，然后根據(jù)外骨骼中的人機工程學因素明確了基于人機工程學的人體外骨骼的造型設計原則，最后闡明了人體外骨骼靜態(tài)尺寸與動態(tài)尺寸的設計思路。以期提高外骨骼穿戴舒適度，為相關研究提供思路。

關鍵詞：人機工程學;下肢助力外骨骼;造型設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）11-0031-02

下肢助力外骨骼是一種包覆在人體外部，用于提升人體機能的帶動人體活動的機械裝置。其結構通常由背部裝載能源的置物架、髖關節(jié)結構、膝關節(jié)結構、大腿連桿、小腿連桿、踝關節(jié)結構、大、小腿連桿及踝關節(jié)處的驅動器、可檢測足底壓力的壓力鞋組成。美國、日本等多個國家已將其應用到軍事、民用等多個領域，國內也開始將之投入到民用領域進行物品搬運實驗，發(fā)展前景良好。

美國等發(fā)達國家對外骨骼的研究起步于2000年，已經逐步實現(xiàn)產業(yè)化，從單純的實驗室樣機研究發(fā)展到市場化產品階段。國內對外骨骼的研究主要集中于控制策略、結構設計等方面，對外骨骼舒適度、造型設計相關問題關注較少，且學者對舒適度的研究也多從運動學與動力學入手，主要集中于增強人機契合度、實現(xiàn)穿戴外骨骼步行時更加平順的方向，而對外骨骼穿戴的舒適度與外骨骼的美觀度研究較少。外骨骼穿戴的不舒適與造型的不優(yōu)美可能會影響到穿戴者的生理及心理上的體驗與安全。

1人機工程學概述

人機工程學是一門研究與人相關因素，確保人的健康、安全和舒適等問題的學科?！耙匀藶楸尽笔侨藱C工程學的核心思想，而人、機、環(huán)境因素及三者間關系是人機工程學的研究重點。以人的生理與心理因素為基礎研究機器與工作環(huán)境的功能與造型設計的合理性、安全性，是人機工程學研究的主要內容。

2基于人機工程學的下肢助力外骨骼造型設計意義

由于下肢助力外骨骼包覆于人體外部、隨動于人體的特性，為使其能更好地適應人使用，引入人機工程學方法進行設計可以更好地對下肢助力外骨骼中人的因素加以考慮，提升穿戴外骨骼時的舒適度。且運用人機工程學方法設計下肢助力外骨骼也能達到規(guī)劃其造型比例的目的，外骨骼的形態(tài)和活動規(guī)律與人體形態(tài)比例和活動規(guī)律相近，這種比例可精準傳遞自然的美感，增加人的舒適感，從而提升人對外骨骼的認同感。因此，對下肢助力外骨骼中的人機工程學因素進行分析是外骨骼造型設計的重要一環(huán)。

3下肢助力外骨骼中的人機工程學因素

人機工程學包含的理論十分廣泛，其中影響下肢助力外骨骼設計的主要人機因素有人體測量學、人體解剖學。人體測量學決定了外骨骼的靜態(tài)尺寸設計，人體解剖學決定了動態(tài)尺寸的設計。

3.1人體測量學

人體測量學是通過測量人體局部與整體的尺寸數(shù)據(jù)來探討人體特征的科學，可提供人體相關數(shù)據(jù)。研究人體測量學的目的是確定外骨骼產品的具體尺寸數(shù)據(jù)，以保證產品尺寸的設計能夠符合人的生理特征，使人處與舒適狀態(tài)。

為保證不同人群在規(guī)劃產品尺寸時使用的人體測量數(shù)據(jù)精準、嚴謹，國家通過測量全國各個地區(qū)的人的身體尺寸總結制定了涵蓋立姿、坐姿狀態(tài)下多項成年人體尺寸數(shù)據(jù)《GB 10000-1988中國成年人人體尺寸》以供參考，此外還制定了《GB/T 12985-1991在產品設計中應用人體尺寸百分位數(shù)的通則》，根據(jù)不同產品類型對人體尺寸百分位數(shù)的選用給出了建議。

3.2人體解剖學

人體解剖學是專門研究健康人體結構形態(tài)的學科。其中，骨、關節(jié)、肌三者總重占人體總重的60%，是人體解剖學研究的重點之一。關節(jié)形態(tài)限制肢體活動方向與活動限度、與之連接的骨在支撐人體的同時保證人體完成相應活動，肌肉附著在骨與關節(jié)上與韌帶共同作用，帶動骨與關節(jié)運動、限制人的活動范圍。上述研究可以總結出人體各個關節(jié)的活動方向、歸納出活動時人體的動態(tài)功能尺寸，作為下肢助力外骨骼動態(tài)尺寸的設計參考。

在人體解剖學中，將關節(jié)按自由度不同分為單軸關節(jié)、雙軸關節(jié)、多軸關節(jié)。單軸關節(jié)僅有一個自由度，雙軸關節(jié)有兩個自由度，多軸關節(jié)有三個自由度。應根據(jù)肢體部位的特征設計下肢助力外骨骼的各個關節(jié)自由度。由于人體的活動受到肌肉與韌帶的影響，其活動范圍存在一定限度的，超過限度將會造成人體損傷。外骨骼動態(tài)尺寸限值應與人體活動限度范圍相合，文獻[5]給出了較為詳細的人體重要活動范圍和身體各部舒適姿勢調節(jié)范圍，可作為外骨骼動態(tài)尺寸的設計依據(jù)。

4基于人機工程學的下肢助力外骨骼造型設計原則

在明確外骨骼中的人機工程學因素后可總結出以下外骨骼造型設計原則：

4.1安全性原則

安全性原則是供人使用的產品設計的基本原則，外骨骼作為長時間包覆在人體上的機械裝置，更應保證人體不會因外骨骼自身原因受到損害，這就需要正確規(guī)劃外骨骼的結構尺寸與活動范圍避免其成為人體活動的阻礙，此外，在外骨骼造型上，應盡可能避免設計尖銳棱角和棱邊，防止人因與外骨骼發(fā)生磕碰而導致?lián)p傷。

4.2舒適性原則

舒適性原則是在安全行原則的基礎上提出的，其目的是保證人穿戴外骨骼的舒適。外骨骼與人體緊密連接，在條件允許的情況下，下肢助力外骨骼的靜態(tài)尺寸設計、動態(tài)尺寸設計應盡可能參考人體尺寸與人體運動方式，提升人與外骨骼的人機協(xié)同能力，從而達到減輕人體負擔的目的。

4.3通用性原則

通用性原則是基于人機工程學“以人為本”的設計原則提出的，目的是保證外骨骼能夠在不進行改裝的情況下能滿足多數(shù)人的使用。

5基于人機工程學的下肢助力外骨骼造型設計思路

5.1下肢助力外骨骼靜態(tài)尺寸設計

下肢助力外骨骼作為與人體密切相關的工業(yè)產品，根據(jù)安全性原則與舒適性原則，其靜態(tài)尺寸應根據(jù)成年人人體尺寸特征進行設計。外骨骼需確定的靜態(tài)尺寸因素有大、小腿連桿長度、壓力鞋大小、髖關節(jié)寬度，影響上述因素尺寸設計的人體尺寸有大、小腿長、足長與足寬、臀寬等多項數(shù)據(jù)，可通過查閱GB 10000-1988明確不同百分位數(shù)上的數(shù)據(jù)尺寸。下肢助力外骨骼靜態(tài)尺寸對百分位數(shù)的選取可參考GB/T 12985-1991，根據(jù)通用性設計原則，為提高外骨骼的普遍適用性，將下肢助力外骨骼定位為男女通用產品，使用雙限值設計，視情況選取男性、女性第95百分位數(shù)、第5百分位數(shù)上的數(shù)據(jù)作為上、下限值依據(jù)。固定尺寸的外骨骼仍無法滿足多數(shù)人需求，引入人體尺寸應用原則中的可調性設計原則可解決尺寸單一的問題。人體尺寸數(shù)據(jù)一般特征是處于同一百分位數(shù)中男性尺寸數(shù)據(jù)大于女性，外骨骼靜態(tài)尺寸通常選擇女性第5百分位數(shù)作為下限值、男性第95百分位數(shù)作為上限值，但由于男女身體生理結構差異，女性臀寬尺寸大于男性，此時選擇男性第5百分位數(shù)作為下限值、女性第95百分位數(shù)作為上限值。下肢外骨骼通常在穿著鞋襪的情況下使用，此時人對壓力鞋合腳程度敏感度降低，對壓力鞋尺寸精度要求不高，可僅考慮使用單限制大尺寸設計數(shù)據(jù)，將男性第95百分位數(shù)數(shù)據(jù)作為上限值，不使用可調設計。根據(jù)GB 10000-1988中的成年人人體尺寸數(shù)據(jù)，依照文中所述尺寸選取方式設計外骨骼的靜態(tài)尺寸數(shù)據(jù)，總結出下肢助力外骨骼靜態(tài)尺寸限值取值如表1：

5.2下肢助力外骨骼動態(tài)尺寸設計

根據(jù)安全性原則、舒適性原則要求，下肢助力外骨骼的動態(tài)尺寸應根據(jù)人體解剖學中的關節(jié)特征、關節(jié)活動范圍確定。下肢助力外骨骼活動關節(jié)主要有髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)，可將三者與人體的這三個關節(jié)一一對應。由于髖關節(jié)是多軸關節(jié)，膝關節(jié)與踝關節(jié)是單軸關節(jié)，因此在外骨骼關節(jié)自由度設計時髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)自由度設計分別為：3、1、1。通過查閱文獻，獲取健康成年人體的活動方向與活動范圍信息，以此為依據(jù)設計外骨骼的活動方向與活動范圍，外骨骼各關節(jié)活動范圍尺寸設計見表2。其中活動時接近人體軀干為“+”、遠離軀干為“-”。

6結語

論文以增強外骨骼穿戴的舒適性和提升造型美觀度為目的，提出運用人機工程學理論設計下肢助力外骨骼的方法。闡明了人體測量學與人體解剖學對外骨骼設計的重要性，確定了下肢助力外骨骼造型設計的三項原則，應用該原則解析下肢助力外骨骼靜態(tài)尺寸與動態(tài)尺寸的設計，給出外骨骼靜態(tài)與動態(tài)尺寸設計的具體數(shù)據(jù)。運用人機工程學原則設計工業(yè)產品造型的方法不僅適用于助力外骨骼的設計，還可應用于任何與人體相關產品的設計中，為改善其他產品的使用舒適度、設計產品造型比例提供方向。