膝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人設(shè)計中人體運動的特點及步態(tài)分析

摘 要：膝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人旨在幫助腿部運動障礙人群進行運動助力或者康復(fù)治療。由于人體膝關(guān)節(jié)運動時不僅是膝關(guān)節(jié)自身的運動，還會受到下肢其他關(guān)節(jié)運動的影響，因此，在進行設(shè)計時必須了解人體下肢運動的特點，并對人體下肢運動進行運動步態(tài)分析，這樣才能設(shè)計出更適合人體運動的機構(gòu)。

關(guān)鍵詞：膝關(guān)節(jié)；步態(tài)分析；人機工程學(xué)

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0014-03

Characteristics and Gait Analysis of Human Motion in

the Design of Knee Rehabilitation Robot

LI Zhongyi

（College of Mechanical Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Knee rehabilitation robot is designed to help disabled people exercise power leg exercise or rehabilitation， and because of human knee joint motion of knee joint is not only the movement itself， is also affected by the other limb joint movement， so the design should understand the characteristics of human lower limb movement， and the lower limb of the human body movement gait analysis. In order to design more suitable for human motion mechanism.

Keywords： knee joint；gait analysis；ergonomics

近年來，隨著人口老齡化的加劇和殘疾人數(shù)量居高不下，助力器械及康復(fù)醫(yī)療器械難以滿足客戶日益增長的需求，所以，根據(jù)市場需求，研制一款輕量化的膝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人顯得十分必要。在研制膝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人時，首先要對人體正常運動時的步態(tài)進行分析，了解人體運動時膝關(guān)節(jié)的運動特性，分配人體下肢運動的自由度及人體下肢運動過程中的各關(guān)節(jié)角度變化。并綜合考慮人機工程學(xué)的設(shè)計原則，為下一步的膝關(guān)節(jié)助力機構(gòu)設(shè)計做好前期準(zhǔn)備。

1 人體運動的行為特征分析

人體下肢是人體運動的重要部分，其承受著人體的最大重量，支撐著人體移動，在人體結(jié)構(gòu)和運動中占據(jù)著重要地位。人體下肢主要由三個關(guān)節(jié)組成，即膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。本文最關(guān)心的是膝關(guān)節(jié)，但膝關(guān)節(jié)的運動也會受到踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)運動的影響。膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的組成及運動特征如下。

①膝關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)是人體最大且構(gòu)造最為復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，其在人體運動中損害受傷的概率也較大。

②踝關(guān)節(jié)。踝關(guān)節(jié)主要做屈伸運動，此外，還能做內(nèi)收和外展運動，也能與距下關(guān)節(jié)配合，從而使得足部可以進行內(nèi)翻和外翻。踝關(guān)節(jié)類似于球關(guān)節(jié)。

③髖關(guān)節(jié)。相對于膝關(guān)節(jié)來講，髖關(guān)節(jié)可以看作一個規(guī)則的球窩關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)可以帶動大腿進行屈伸、內(nèi)外翻轉(zhuǎn)等運動，自由度較高。

2 人體正常步態(tài)分析

2.1 下肢運動的重要性

通過治療使患者具有獨立行走的能力是康復(fù)治療的主要目標(biāo)。研究人體下肢步態(tài)，分析和分解其正常情況下的過程，是研究膝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人步態(tài)姿勢的前提和基礎(chǔ)。其中，運用人機工程學(xué)原理對人體下肢正常步態(tài)進行分析是必要前提，而對人體下肢正常步態(tài)進行仿生學(xué)分析，并對正常步態(tài)進行模擬，得出科學(xué)的數(shù)據(jù)是膝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人設(shè)計與研究的基礎(chǔ)。這樣，可以大大提升膝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人行走時的宜人性、安全性及平衡性。因此，對人體下肢正常步態(tài)進行分析，是膝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人設(shè)計的重要依據(jù)和必要前提[1]。

2.2 步態(tài)理論分析

下肢步態(tài)行走是周期性運動，研究步態(tài)行走周期的動作，就是把一個單位周期的動作進行拆解分析，如圖1所示。人體左腳接觸地面而右腳尖離開地面的時間，稱為雙側(cè)腿支撐期；從右腳尖離開地面到右腳后跟與地面接觸的時間，稱為左側(cè)單腿支撐期；從右腳后跟剛落地到左腳尖離開地面的時間，稱為雙側(cè)腿支撐期；從左腳尖離開地面到左腳后跟與地面接觸的時間，稱為左側(cè)單腿支撐期。從單位周期的步態(tài)分析來看，人體步行運動是具有對稱性的，單側(cè)腳的腳后跟從落地至其腳尖離開地面的過程，稱為站立相；單側(cè)腳的腳尖離開地面到腳后跟和地面接觸的過程，稱為邁步相，從圖1可以清楚地看到，站立相約占一個單位步態(tài)周期的62%，邁步相約占一個單位步態(tài)周期的38%。

人體下肢運動時，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)之間相互協(xié)調(diào)運動。通過建立簡化模型（見圖2）可以看出，當(dāng)人體下肢運動時，人體的腰部節(jié)點、臀部節(jié)點、膝蓋節(jié)點、踝關(guān)節(jié)節(jié)點和腳趾五個部位分別用五個點來表示，坐標(biāo)為（Xw，Yw）（Xh，Yh）（Xk，Yk）（Xa，Ya）（Xt，Yt）。通過對下肢五個部位點位置的運算和分析可以得到膝關(guān)節(jié)的角度變化情況。

根據(jù)臀部節(jié)點和膝蓋節(jié)點坐標(biāo)位置，可以推算出髖關(guān)節(jié)的角度值，公式為：

[θh=arctanxk-xhyk-yh] （1）

式中，[θh]表示髖關(guān)節(jié)的角度值。

由膝蓋節(jié)點、踝關(guān)節(jié)節(jié)點坐標(biāo)位置及髖關(guān)節(jié)的角度值[θh]可以推算出膝關(guān)節(jié)的角度值公式：

[θk=arctanxk-xhyk-yh+θh] （2）

式中，[θk]表示膝關(guān)節(jié)的角度值。

3 人機工程學(xué)設(shè)計原則

在設(shè)計產(chǎn)品時，我們不僅要思考“人-產(chǎn)品-環(huán)境”三者之間的內(nèi)在關(guān)系，還要找到其聯(lián)系，并加以合理利用，不僅要使產(chǎn)品的設(shè)計更加安全、更加健康、更加舒適，更加符合消費者的生理特征，讓整個系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)，還要在安全性、宜人性、人機交互的設(shè)計原則中，找到產(chǎn)品本身“人-產(chǎn)品-環(huán)境”三者之間的平衡。

3.1 安全性

安全性一直是產(chǎn)品設(shè)計時的第一使用性能指標(biāo)，特別是以康復(fù)機器人為代表的醫(yī)療器械類產(chǎn)品。為了更好地讓膝關(guān)節(jié)助力康復(fù)機器人產(chǎn)品服務(wù)用戶，在設(shè)計時應(yīng)注意以下幾個原則[2]。

①產(chǎn)品設(shè)計的首要原則是產(chǎn)品必須具備安全性。產(chǎn)品運動的范圍必須在人體膝關(guān)節(jié)的運動范圍之內(nèi)，避免因機械機構(gòu)設(shè)計不合理而給使用者帶來身體的危害。

②膝關(guān)節(jié)助力康復(fù)機器人的目標(biāo)用戶是腿腳不便的老年人和殘障人士，以及膝關(guān)節(jié)需要康復(fù)治療的病人。在膝關(guān)節(jié)助力康復(fù)機器人的設(shè)計上，要多采用曲面和弧面元素進行設(shè)計，減少突兀元素的出現(xiàn)，更要避免棱角等不安全元素的出現(xiàn)。

③醫(yī)療康復(fù)器械需要更多地考慮產(chǎn)品的安全性和舒適性。在進行設(shè)計時，要盡量選擇質(zhì)軟、健康無污染的材料，這樣既可以滿足產(chǎn)品的強度需求，又方便產(chǎn)品清洗、保養(yǎng)和維護[3]。

④人機工程學(xué)中產(chǎn)品的設(shè)計要使使用者保持心理上的愉悅。所以，膝關(guān)節(jié)助力康復(fù)機器人的造型和色彩設(shè)計也很重要。在設(shè)計時，一定要遵循人機工程學(xué)原則和事物發(fā)展的規(guī)律，既要滿足使用者的心理需求，又要展現(xiàn)出簡約、時尚和美觀的特點。

3.2 宜人性

在設(shè)計膝關(guān)節(jié)助力康復(fù)機器人時，不僅要滿足其助力行走的功能，更要著重考慮使用者的心理因素和心理暗示，充分考慮產(chǎn)品材料工藝、造型設(shè)計和色彩暗示等方面因素，讓使用者提升對膝關(guān)節(jié)助力康復(fù)機器人的感情，使其在使用產(chǎn)品的同時，對產(chǎn)品本身產(chǎn)生親近感。膝關(guān)節(jié)助力康復(fù)機器人產(chǎn)品的宜人性具體體現(xiàn)在以下幾方面[4]。

①人體尺寸。人體尺寸的研究主要是為了膝關(guān)節(jié)助力康復(fù)機器人產(chǎn)品與用戶相接觸的部分，特別是其尺寸和造型要與使用者的身體下肢特征相吻合。

②造型工藝。任何美的產(chǎn)品都要通過相應(yīng)的工藝來完成生產(chǎn)，產(chǎn)品的最終品質(zhì)都應(yīng)與其生產(chǎn)工藝、裝飾工藝和表面處理工藝等密切相關(guān)。

③感官體驗。一個產(chǎn)品呈現(xiàn)在消費者面前時，消費者會通過視覺、聽覺和觸覺等多個感官去體驗產(chǎn)品帶來的美好和舒適。

3.3 人機交互

從交互設(shè)計的角度來看，醫(yī)療康復(fù)器械應(yīng)使操作盡可能簡化，標(biāo)識醒目。同時，要采用避免操作失誤或容錯設(shè)計的策略，如按鈕過小、按鈕間距不足等。

4 結(jié)語

通過對人體下肢運動的行為特征進行分析，了解人體下肢運動的基本特征。通過對膝關(guān)節(jié)運動范圍的分析，得出膝關(guān)節(jié)助力康復(fù)機器人轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動范圍，并根據(jù)人體下肢運動時的運動特征得出人體下肢運動時主要關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度。為了更好地適應(yīng)人體運動，滿足目標(biāo)客戶對舒適性的要求，對膝關(guān)節(jié)助力康復(fù)機器人在設(shè)計時需要遵循的人機工程學(xué)準(zhǔn)則進行分析，以滿足目標(biāo)客戶的心理需求。

參考文獻：

[1]陳成.基于外骨骼的可穿戴式下肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真[D].南京：南京理工大學(xué)，2016.

[2]鄭宇飛.基于人機工程學(xué)智能輪椅的設(shè)計與研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]程超然.基于人機工程學(xué)的護理機器人浴艙系統(tǒng)研究[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2015.

[4]陸劍雄，張福昌，申利民.坐姿與座椅設(shè)計的人機工程學(xué)探討[J].人類工效學(xué)，2005（4）：44-46.