下肢外骨骼康復機器人人機交互系統分析

王年文+朱亦吳+姜文博+畢翼飛

摘 要：隨著醫療康復市場的擴大，越來越多的外骨骼機器人應用于醫療與日常生活中。下肢外骨骼康復機器人可以對諸如脊髓損傷患者、截癱病發患者、殘疾人、中老年人等行走不便者輔助行走進行有效的治療和預防。為了提高其設計的準確性，規范其設計數據，分別從人體下肢骨結構和自由度，步態周期及髖關節、膝關節和髁關節的角度變化，對下肢外骨骼康復機器人的人機交互系統進行了分析，結合人機數據分析，總結出了在進行下肢外骨骼康復機器人的設計時需要注意的安全性、穿戴性、舒適性和可調節性。

關鍵詞：下肢外骨骼；康復運動；機器人；人機交互系統；設計原則

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.085

外骨骼機器人起源于上世紀60年代，最初的成品是美國的哈德曼助力機器人，近年來伴隨著科學技術的發展，逐漸運用于軍事、醫療、工業等各個領域。在國外，由日本筑波大學研發的外骨骼機器人HAL3，以色列的“外骨骼”助力裝置ReWalk ，還有美國的BLEEX低位肢體外骨骼等，都是外骨骼機器人的典型代表。最初外骨骼機器人常用于軍事領域，近年來，隨著醫療康復市場的擴大，越來越多的外骨骼機器人應用于醫療領域，帶來了巨大的市場價值和社會效應。它不光可以對諸如脊髓損傷患者進行有效的治療，預防截癱的病發，也可以為殘疾人、中老年人等行走不便者輔助行走。那么從工業設計角度來看，合理處理好患者與機器，以及環境之間的人機關系，對進行下肢外骨骼康復機器人的設計是十分重要的。

1 下肢外骨骼康復機器人的介紹

外骨骼機器人是一種可穿戴式機械操作裝備，它融合了傳感、控制、移動計算等技術，通過人操作機器來達到智力和體力上的完美結合。我國國內引入到臨床應用的普遍以牽引式、懸掛式康復機器人居多，下肢外骨骼康復機器人起步較晚，有足夠的上升空間。它的用戶一般分為兩個群體：一個是因為事故、運動、老化等原因行走功能已經嚴重受損的人群，這時外骨骼康復機器人是作為長期使用的輔助步行工具；另外一部分，就是短暫失去行走能力的人群，幫助他們進行康復訓練以迅速恢復健康步行能力。

2 人機工程學

人機工程學是一門多門學科相互交叉的邊緣學科。其研究核心主要由人、機、環境三者共同構成的人機交互系統，通過對人、機器及環境三者之間進行協調，來指導設計工作，提高作業上的效率、安全、健康和舒適。

下肢外骨骼康復機器人作為一件輔助類康復產品，患者在使用產品進行康復運動的同時與周邊環境構成了一個完整的“人-機-環境”系統。在進行下肢外骨骼康復機器人的設計時，必須要從“人機交互系統”的角度，圍繞人體的基本素質、心理因素和反射因素，機器的特性、幾何參數和機器模型，環境的作業特性和特征，人與機器的動作分析、動作穩定性、動作適應性和動作軌跡，人與環境的外界條件反射和外部信息，機器與環境的作業空間和儲存環境等內容對整個下肢外骨骼康復機器人所構成的“人-機-環境”進行系統分析。

3 下肢外骨骼康復機器人人機分析

3.1 人體剖析結構

為滿足下肢外骨骼機器人的安全性、調節性與舒適性，外骨骼的結構應該依據仿生學原理，按照人體下肢結構來進行設計。如圖1所示，在人體解剖學中，可以將人體在三維空間內用三個相互垂直的基準軸（矢狀軸，垂直軸，冠狀軸）和三個基準面（矢狀面，水平面，冠狀面）來劃分。

3.2 人體下肢骨結構和自由度分析

人的下肢的主要功能支持身體，承受體重和行走，這些運動是由關節的轉動來實現的。如圖2左：下肢骨結構圖所示，在下肢骨結構中，髖關節，膝關節和髁關節作為運動關節將其它的骨骼進行連接。人的下肢活動是依靠這三個關節的關節運動而帶動的，這三個關節的關節運動又是分別圍繞著相應的基準軸、基準面進行的。髖關節是一個具有三個自由度的球形關節，而股骨以髖關節為中心圍繞著基準軸做以下這些自由度運動：圍繞著冠狀軸做屈/伸運動，圍繞著矢狀軸做外展/內收運動，圍繞著垂直軸做內旋/外旋轉運動。從髖關節附近的結構來看，髖關節的主要自由度還是屈/伸運動，后兩個自由度因運動幅度小，并且考慮到結構的簡單性，在外骨骼的結構設計中是可以被省略的。膝關節由于人體構造的限制，在水平面，冠狀面的運動十分的細微，所以結構設計中只考慮在矢狀面內進行的屈/伸運動。髁關節是人體下肢運動的穩定性的重要保證。和髖關節一樣，它具有三種自由度運動：屈/伸運動，外展/內收運動，內翻/外翻運動。

如圖2右：自由度剖析圖所示，參考人體下肢骨結構，可以總結出人的單腿在運動中需要7個自由度，并且這些自由度的運動角度都是有一定限制和范圍的。

3.3 人體步態分析

那么如何得到人步行時，這三個關節的角度變化？我們需要對步行運動中的步態周期進行分析。人類的行走是一個通過左右腿交叉搖擺的周期性過程，它是通過肢體運動并前進的一種周期性的形式和現象，行走、奔跑或者移動都屬于步態。

“步態周期”是指行走過程中一側足跟著地至該側足跟再次著地的時間。一個步態周期被分成了兩個階段，其中足底與地面接觸的階段被稱之為站立相，而腿離地并擺動的階段則如圖3所示，人體的步態周期分為8個分期：首次著地、承重期（雙支撐期）、站立中期、站立末期、邁步前期、邁步初期、邁步中期和邁步末期。這8個分期分別屬于雙支撐期和單支撐期，每一個步行周期中都有雙支撐期，它從單側足跟著地開始，到對側足趾離地結束，期間雙腿處于和地面接觸的狀態。而單支撐期則是單腿與地面接觸。如表1所示各關節角度變化。

3.4 人體主要尺寸

為了產品的舒適性與可調節性，整個下肢外骨骼康復機器人的尺寸需要參照《中國成年人人體尺寸（GB/T 10000-1988）》。該標準的數據分為三個年齡段的男女，即18歲-25歲（男女），26歲-35歲（男女），36歲-60歲（男）/55歲（女）。

如表2，人體的身高，下肢的長度是各不相同的，并且個體在不同年齡段的數值也是不同的。因此，在實際設計中必須預留一定的可調節性，比如可以通過添加調節裝置實現。

4 結語

通過上述分析，可以看出合理處理好患者與產品之間的人機數據是十分重要的。我們在進行下肢外骨骼康復機器人的設計時，需要考慮產品的安全性、穿戴性、舒適性和調節性。盡量減少產品與人體的接觸面，減少產品對人體的各方面限制，產品不能對患者脊髓造成二次傷害；方便用戶快速穿戴、脫掉以及更換；產品的使用要符合用戶的舒適度；為方便不同患者，要考慮產品的可調節性和可更換性等等。當然，具體的設計方案和實施方案還需要根據力學、材料學等多學科進行進一步的交叉研究。

參考文獻

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