騎行下肢外骨骼結構與造型舒適度設計研究

摘要：針對下肢外骨骼結構功能固化和造型主觀舒適度難以滿足人機要求等問題，本文基于騎行姿勢提出了一種結構與造型相結合的外骨骼設計方法和舒適度驗證方案?；隍T行中的運動學和仿生人機分析，提取出外骨骼需要滿足的結構因素。再通過感性工學和設計美學在結構基礎上進行造型因素分析和方案設計。基于JACK，從外骨骼的穿戴和交互舒適度出發(fā)，對人體下背部人機匹配性等進行結構功能舒適度驗證。并對外骨骼方案進行主觀舒適度驗證?；隍T行姿勢結構與造型相結合的外骨骼設計方法?？梢栽O計出既滿足結構功能，又滿足造型主觀舒適度要求的迭代性外骨骼方案，為下肢外骨骼設計與研究提供指導作用和積極意義。

關鍵詞：騎行姿勢；運動學；下肢外骨骼；感性工學；JACK；舒適度驗證

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）23-0070-05

引言

隨著現(xiàn)代心腦血管疾病、人口老齡化以及車禍機械性損傷等造成的人體下肢運動功能受損人群數(shù)目與日俱增，且醫(yī)療供給能力短期內無法實現(xiàn)巨大提升的情況下。外骨骼作為典型的人機交互系統(tǒng)，可以廣泛用于下肢康復性訓練，提供有效解決辦法和現(xiàn)實意義。目前，針對外骨骼的設計主要集中于控制算法和機械結構設計，缺乏創(chuàng)新和設計感，且愈趨同質化。一個新穎的外骨骼設計方向和滿足用戶感性需求的造型設計方法顯得尤為重要。騎行作為一種關節(jié)友好的活動，且極具性價比和時間效率的運動方式，其穩(wěn)定的循環(huán)運動方式可與外骨骼相結合。從而提供一個基于騎行步態(tài)的下肢康復以及運動訓練與外骨骼相融合的新方式。目前，針對下肢外骨骼的設計主要圍繞步行步態(tài)進行。Steven H.Collins 根據(jù)踝關節(jié)運動方式，設計與小腿肌肉平行作用的無動力踝關節(jié)外骨骼，卸載肌肉力量，從而減少收縮時消耗的代謝能量[1]；Celebi提出具有3 個主動轉動副組成的一種主動膝關節(jié)康復外骨骼，可實現(xiàn)矢狀面內的一個轉動自由度和二個移動自由度[2]；張素航等基于外骨骼機械結構進行外殼設計與拼接[3]。針對騎行的研究有謝宏宇基于騎行狀態(tài)進行下肢運動學和動力學研究，提出人－車連桿模型[4]；Ronnapeehaichaowarat 等為了減少騎行的能量消耗同時不消耗額外的能源，設計了膝關節(jié)外骨骼，能夠有效降低騎行中股直肌的能量消耗[5]。上述關于外骨骼和騎行的研究均有各自的特點，一方面，注重人機理論上的高匹配性，另一方面，強調外骨骼對人體的助力效果，也有關于外觀方面的優(yōu)化嘗試。但均未考慮將創(chuàng)新性外骨骼結構功能要求和造型主觀需求相融合的設計方式。下肢外骨骼進入一個基于步行步態(tài)機械性結構功能設計的固化領域。通過對比和分析現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，運用感性工學方法能夠有效地將用戶對產品的感性認知進行設計要素轉化。通過建立和分析外骨骼設計的感性語匯空間，進一步明確外骨骼設計目標，對于更好地指導和確定設計方案有著積極意義。

針對以上所提出的外骨骼結構功能同質化和造型主觀舒適度難以滿足的設計趨勢。本文基于騎行姿勢進行下肢運動學研究與仿生結構功能提取，并融合感性工學和設計美學進行下肢外骨骼方案設計。再利用JACK[6] 和主觀評價法對外骨骼進行舒適度驗證和評估。進而設計出既滿足結構功能，又滿足造型主觀舒適度要求的融合式迭代性外骨骼方案，探索并完善結構與造型相融合的外骨骼設計方法和驗證方案。為下肢外骨骼的設計研究提供差異性迭代新思路，研究流程如圖1 所示。

一、結構功能人機分析

功能是研究所有產品的基礎，而結構是功能得以實現(xiàn)的主要方法。對康復、醫(yī)療、體育鍛煉和下肢外骨骼設計研究均有著十分重要的意義。為滿足騎姿外骨骼的結構功能，基于騎行運動學和仿生設計對外骨骼結構進行研究。從騎行運動生物力學的研究[7] 來看，運動學建模由關節(jié)空間到工作空間的映射關系[8]。因此，結合騎行運動特點，以下研究基于五桿模型進行：

（一）五桿模型建立。騎行是下肢圍繞髖關節(jié)進行的繞橫軸在矢狀面內完成的運動，故本文的研究主要基于下肢繞橫軸的踩踏循環(huán)動作進行。研究發(fā)現(xiàn)，人體骨骼在承受彎曲應力及拉壓應力時的特性表現(xiàn)同普通剛性材料類似，則可將大小腿和腳等效為剛性桿件[9]，從而建立五桿模型。綜上，將人體下肢騎行動作簡化成如圖2 所示五桿模型。

為建立科學的數(shù)學模型，根據(jù)國家標準《GB-T 17245-2004 成年人人體慣性參數(shù)》賦予人體騎姿下肢五桿模型參數(shù)[10]。

（二）騎行運動學。本騎行模型研究主要針對右下肢進行?；谝陨虾喕奈鍡U騎行模型，騎行運動中各部位運動學方程如下：

以髖關節(jié)H 為點建立坐標系xHy，中軸中心O 坐標即為（Xo，Yo）。

由位移方程得：

L cosα－L cosβ＋L cosγ－L cosθ＝y(tǒng)o

L sinα＋L sinβ＋L sinγ＋L sinθ＝xo

由于模型是一個五連桿機構，因此需要兩個約束條件來指定連桿構型。為研究騎行過程中髖關節(jié)踩踏循環(huán)能耗變化與曲柄轉角θ 之間的聯(lián)系，則根據(jù)Hull and Jorge[11] 的研究確定。一個是測量的曲柄角。另一個是由測量到的相對踏板角。

θ－γ－δ＋π／２＝０

其中ζ 是踏板和曲柄之間的角度，ε 是曲柄相對于垂直方向的角度δ 是腳中部和踏板之間的角度。膝角（β）和髖角（α）被描述為7 個幾何常數(shù)的函數(shù)。

基于以上運動學公式，運用牛頓- 歐拉迭代公式：

進行計算可得人體下肢步行時髖關節(jié)和膝關節(jié)屈/ 伸自由度力矩范圍分別為（-33，62）N·m 和（-16，64）N·m[12]。可知，騎行姿勢針對髖關節(jié)進行外骨骼設計研究顯得尤為重要。

（三）仿生結構設計分析。騎姿外骨骼采用仿生機構設計方法，選取坐姿第95 百分位男性和第5 百分位男性作為身體尺寸的最大和最小值。下肢外骨骼的尺寸應能夠根據(jù)使用者下肢尺寸進行設計，有利于增大外骨骼的適用人群舒適度。依其運動學分析，可知騎行過程中下肢作繞髖關節(jié)循環(huán)運動。故騎行外骨骼設計主要圍繞髖關節(jié)進行，如下為騎行受力示意圖。其中，大腿為主要騎行輸出，故集中于繞髖關節(jié)的大腿張合動作，以及腰部與大腿的承力結構進行外骨骼的結構設計。考慮到用戶在騎行起止時需要在橫狀面上進行腿部張合，故外骨骼在髖關節(jié)處添加一個橫軸自由度設計，如圖3 所示。

綜上，本文基于騎姿五桿模型的運動學研究以及仿生機構學的特點，對下肢外骨骼的結構特征進行全面的分析和研究。從而明確滿足人機舒適度的騎姿外骨骼結構設計特征及調節(jié)范圍。

二、造型設計要素分析

本文提出的基于騎行姿勢的下肢外骨骼舒適度設計方法，研究重點不僅在于實現(xiàn)結構功能上的人機舒適度，還在結構基礎上融合感性工學[13]。將使用者對產品的感性意象進行定量表達，并將之與外骨骼設計特性相聯(lián)系。以實現(xiàn)在外骨骼設計中體現(xiàn)“人”的感受，從而設計出符合目標用戶期望的外骨骼方案[14]。

（一）需求定位分析。本研究旨在將外骨骼結構和造型舒適度設計與下肢康復及運動訓練相結合。在外骨骼的結構和造型融合設計中，需要兼顧運動員的助力需求和康復患者對安全性能的要求。故本研究的目標定位主要針對具備一定騎行基礎、較高接受能力的騎行運動員以及輕度下肢運動損傷人群進行下肢助力外骨骼設計研究。

（二）設計特征提取

1. 從官方網站、文獻、專利等處收集一系列的下肢外骨骼圖片。篩選、去除不清晰、相似的產品，得到16 個較具代表性和全面性的產品，如圖4 所示。根據(jù)前述結構分析，騎行姿勢外骨骼的設計主要針對髖關節(jié)和腰部穿戴結構進行研究。

通過坐標排序法[15]（Coordinate Sorting），將收集到的圖片根據(jù)設計特征劃分為4 個大類：塊狀、機械結構、線型和曲面造型，并進行編號。再對圖片進行灰階處理，如圖5 所示。以防止色彩對外骨骼感性意象的干擾，從而更準確地評估人們對外骨骼設計的感性意象。

2．感性詞匯。在收集了大量使用者和設計師對各類外骨骼描述的感性詞匯后，本研究采用KJ 法進行篩選和整理，剔除了語義相近或與設計特征關聯(lián)性較弱的部分。由于外骨骼設計與普通產品設計流程存在差異，需要兼顧造型美觀及結構功能協(xié)調。本文通過與貴州航天控制技術有限公司6 名專業(yè)外骨骼設計工程師及13 名具備一定外骨骼設計經驗的工業(yè)設計與機械專業(yè)碩士研究生討論研究，針對外骨骼設計特征對感性詞匯進行分類和提煉。最終，確定了8 組具有代表性的感性詞匯，并將其與外骨骼設計特征進行匹配，建立了外骨骼設計的感性詞匯空間，具體如表1 所示。

（三）感性詞匯數(shù)據(jù)分析。

1．問卷調查及統(tǒng)計：對確定的8組感性詞匯進行量化。設計調查問卷，構建如表2 所示7 級李克特量表評價尺度。其中，將“精致的”“安全的”“和諧的”“流線的”“舒適的”“靈動的”“便攜的”“新穎的”對應分值設置為3，對應的詞匯設置為-3。量化分值越接近分值極限說明越貼合調研對象對外骨骼的感性認知。實際發(fā)放問卷60 份，其中男性35 人，女性25 人，具備工業(yè)設計背景13 人，機械設計背景19 人，其余人為隨機樣本。回收有效問卷數(shù)為53 份，對53 份問卷進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得到16 個外骨骼樣本的感性詞匯平均值[16]，如表3 所示。

借助SPSS 對數(shù)據(jù)信度進行檢驗，得到的克隆巴赫系數(shù)為0.798，說明問卷信度較好，可以進一步對數(shù)據(jù)進行分析。

2．主成分分析及因子分析：用SPSS 軟件對均值結果進行KMO 檢驗系數(shù)和巴特利特（Bartlett）球形檢驗，檢驗出的KMO系數(shù)為0.685gt;0.5，且Bartlett 球形檢驗的顯著性系數(shù)P 值為0.000lt;0.050，說明樣本數(shù)據(jù)適合作主成分分析及因子分析[17]。

通過主成分分析法對數(shù)據(jù)進行降維分析，公因子方差如表4 所示。各變量的提取值均大于0.778，且大部分大于0.9，公因子提取效果較理想，說明因子分析結果有效，可對感性詞匯平均值數(shù)據(jù)進行主因子分析。

總方差解釋顯示主成分因子對總體變量信息的解釋程度，選擇特征值大于1 的因子作為主因子。由表5 可知，因子1、因子2、因子3 的特征值均大于1，且累加貢獻率達到了85.682%，能夠充分概括16 款外骨骼的造型與結構設計特征。

為分析3 個主因子的特點和命名，利用凱撒正態(tài)化最大方差法對因子載荷矩陣進行旋轉，旋轉在5 次迭代后已收斂[18]，得到旋轉成分矩陣表6。

3．結果解釋分析：主成分分析和因子分析的結果顯示。用戶對外骨骼的“曲面流暢”“人機仿生設計”“比例合理”“限位設計”和“鏤空、折疊”設計特征感知較為強烈。表示這些特征在外骨骼設計中的指導作用也更加突出。其中，因子1 中曲面流暢、人機仿生設計和比例合理為主要貢獻變量，反映用戶對外骨骼外觀造型的感知，則將因子1 命名為外骨骼設計“外觀因子”；因子2 中限位設計為主要貢獻變量，反映用戶對外骨骼在結構方面的可靠性感知，則將因子2 命名為“安全因子”；因子3 中鏤空、折疊為主要貢獻變量，反映用戶對外骨骼在使用和攜帶方面的感知，則將因子3 命名為“輕量因子”[18]。

三、騎姿助力外骨骼設計

基于以上騎行姿勢運動學與感性工學研究結果解釋分析，可以明確外骨骼的設計目標。

（一）設計目標

1. 仿生設計：在保證騎行姿勢結構自由度的基礎上，外骨骼的外觀因子應側重于人機仿生研究，外骨骼應該與人體的曲線和形狀相匹配，以減少不適感和壓力點。外骨骼的造型應該考慮到人體的解剖結構和運動學原理。外骨骼設備應該與人體的關節(jié)和骨骼系統(tǒng)相協(xié)調，以提供最佳的支持和運動自由度。

2. 安全性與舒適性：安全因子需注重限位等可靠性安全設計，為實現(xiàn)輕量因子，設計應在滿足強度和功能要求的前提下，最大限度地采用鏤空、折疊等設計方式。并增加限位裝置和可調節(jié)部位讓不同用戶根據(jù)自身特點來調整舒適度，減少長時間佩戴時的不適感。

3. 美學和社會接受度：外骨骼設備的主要設計目的是其功能性所決定的，但其外觀設計也是重要的考慮因素。外骨骼的造型應該符合主流審美標準，并在社會上得到接受。外骨骼的外觀可以通過顏色、紋理和外部附件等元素進行個性化和定制

綜上所述，本研究融合結構要求和感性需求設計出一款適用于騎行姿勢的下肢助力外骨骼，設計方案如圖6 所示

（二）設計方案分析

本設計方案在腰部和大腿部設置承力裝置。其次，利用人機仿生原理，設計人體接觸部位的擬人形式，實現(xiàn)最大程度的貼合。整體采用曲面造型，呈現(xiàn)流暢且和諧的外觀特點，為用戶提供舒適的感性認知。此外，設計限位裝置和可調節(jié)部件以滿足外骨骼安全性要求。最后，在保證結構強度的前提下，對外骨骼進行鏤空處理，并增加折疊及快速調節(jié)功能，以提供高效交互體驗。

該初始方案中主要以腿部支撐件為主，驗證其可靠性后，對其整體進行重新設計，并通過軟件進行渲染，重新制作腰部支撐設計，使用仿腰部曲面，并在銜接處采用限位設計，使產品使用更加安全可靠，產品渲染效果圖如圖7 所示。

根據(jù)不同使用者的需求，外骨骼需滿足髖膝關節(jié)間長度可以快速調節(jié)的形式。經設計研究，提出調節(jié)大、中、小3 種腿部支撐件的方式滿足人機匹配度要求并對連接處進行快拆設計，以便使用過程中進行更換。用JACK 軟件測量第95 百分位和第5 百分位人體模型髖關節(jié)到膝關節(jié)的尺寸，以適應不同下肢尺寸的使用者。根據(jù)3 種腿部支撐件的尺寸，外骨骼能夠滿足400 ～ 480mm 不同大腿長度的使用對象。從人機匹配度方面使外骨骼滿足結構舒適度要求[19]。

四、舒適度驗證

（一）場景構建

1. 人體模型建立：為了滿足大部分騎行者的操作要求，以第95 百分位人體尺寸作為設計上限，第5 百分位人體尺寸作為設計下限[20]。在JACK 的三維人體數(shù)據(jù)庫中，以GB10000—1988 為參考，建立騎行姿勢第95 百分位和第5 百分位的人體數(shù)據(jù)模型，如圖8 所示。

2．虛擬仿真模型建立：在Rhino 軟件中構建自行車和外骨骼模型，然后再導入JACK 中。并將人體、自行車模型與設計的外骨骼進行約束和調整，使其成為如圖9 的一個人機交互系統(tǒng)。進行接下來的舒適度驗證研究。

（二）穿戴舒適度驗證

1. 下背部受力分析：騎行姿勢下，腰部是較容易疲勞的部位，而穿戴助力外骨骼會對人體腰椎產生壓力，Lower limb analysis 能分析運動時腰椎4L/5L 所受的壓力。下背部受力分析能確定外骨骼對人體腰部受力的舒適度研究。從而達到更科學的外骨骼舒適度評價，如圖10 為下背部仿真分析結果。

分析顯示在穿戴外骨骼的狀態(tài)下腰部豎脊肌拉力為467N，背部壓縮力為1430N。兩者均遠低于NIOSH 的極限值。穿戴騎姿外骨骼時下背部受力處于舒適范圍，結構功能滿足人體受力舒適度需求[21]。

2.Comfort Assessment 舒適度分析：在騎行運動中，所有主要腿部肌肉群協(xié)作共同推動踏板。穿戴外骨骼后，會對下肢的各關節(jié)受力產生影響。通過Comfort Assessment 工具中的單關節(jié)Porter 舒適度研究，評價騎行姿勢下肢外骨骼對關節(jié)及騎行姿勢的舒適度[21]。本文針對騎行時完整周期內的兩個主要狀態(tài)（曲柄上死點、下死點）進行舒適度仿真分析，以評價騎行過程中下肢各關節(jié)舒適度情況，如圖11 所示。

圖中數(shù)值接近0 是最舒適的關節(jié)角度，綠色代表關節(jié)角度在限定的關節(jié)彎曲范圍內。黃色代表關節(jié)角度超出了舒適度范圍。上、下極限Porter 圖中，基本滿足人體舒適度要求。其中，上極限的右小腿和下極限左膝蓋略高于限定關節(jié)角度，舒適度較低，但均在人體可接受范圍內。

（三）心理舒適度驗證

心理舒適度感性認知，特別是設計美學以及造型舒適度等主觀評價準則，很難讓程序去進行評價，需要人為判斷[22]。本研究在融合結構與造型需求的外骨骼設計方案完成后，采用問卷調查的形式對方案進行感性心理舒適度評估。由于外骨骼方案是依據(jù)感性詞匯所對應的造型特征而進行設計的，故在收集時不采用所提到的8 對感性詞匯進行評估，只針對（舒適的—不適的）這一對感性詞匯進行測量。共33 人參與評價，有效問卷為31 份。通過SPSS 進行均值和標準差分析，結果顯示73.6% 的被調研者對該外骨骼方案結合的方法制定下肢外骨骼舒適度設計方案能夠較好地滿足用戶的舒適度需求。

并且在問卷調查中，調研對象對于外骨骼的限位設計和曲面鏤空設計等均展現(xiàn)出極強興趣和接受度，體現(xiàn)本外骨骼設計方案滿足用戶的基本功能和舒適度需求。

結論

本文針對外骨骼結構功能和造型感性舒適度難以滿足人機要求以及外骨骼設計同質化等問題。首先，提出了基于騎姿進行的下肢外骨骼設計，解決了外骨骼設計方向固化的問題，并進行了騎姿運動學研究，為相關設計提供了理論基礎。其次，基于騎行姿勢，提出融合結構功能需求與造型感性需求的外骨骼設計方法。將外骨骼設計的工程性與美學性相結合，從而設計出迭代性外骨骼方案。最后，提出基于Jack 仿真分析和主觀評價相結合的舒適度驗證方案，證明該設計方法能夠為下肢外骨骼設計與研究提供指導作用和積極意義。

基金項目：國家自然科學基金：52065010

貴州省科技項目：黔科合基礎-ZK[2021] 一般341；黔科合支撐[2022] 一般197

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