基于人機工程學的無動力下肢外骨骼設計研究

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計。在保證結構合理的基礎上力求滿足質量輕、操作簡便、人機協調等目標。在人機工程學和人體步態運動規律的基礎上提出一種無動力下肢外骨骼的設計概念，設計了該外骨骼各關節的自由度數、部件參數等關鍵信息，在上述基礎上對外骨骼進行詳細設計，并對其進行分析測試。最終基本完成了設計原型，符合預期目標，下肢外骨骼實現了對使用者助力的目的，滿足了相關結構強度要求。實驗結果表明下肢外骨骼的結構設計合理，工作模式符合設計要求，為進一步探索下肢外骨骼的設計打下了基礎。

關鍵詞：人機工程學;無動力下肢外骨骼;設計

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備相繼被開發，外骨骼應運而生。外骨骼系統是一種能夠為其穿戴者強化身體機能的可穿戴設備，在工業生產方面，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;也可以用于醫療行業，助力病人的康復，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能力，提高軍事能力。本文針對現有下肢外骨骼結構進行優化，提出由彈簧和液壓結合提供動力，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化為彈簧、液壓桿的勢能來進行助力，這樣的創新點在于結構簡單、制造簡便同時成本較低。該外骨骼通過合理的布局和設計，能夠實現人機協調，為使用者提供有效的助力。

1 人機工程學概述

人機工程學是研究人與系統中其它因素之間的相互作用，以及應用相關理論、原理、數據和方法來設計以達到優化人類和系統效能的學科，又稱“人因工程學”“人類工效學”等。人機工程學的人與系統包括“人——機——環境”，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、工具和設備等;環境指的是人、機所處的周圍環境，如作業場所和空間、物理化學環境和社會環境等。人機工程學主要研究內容可以概括為：第一，人的能力，包括人的基本尺寸、人的作業能力，各種器官功能的限度及影響因素等，對人的能力有了了解，才可能在設計系統中考慮這些因素，使人承受的負荷在可接受范圍內;第二，人機交互，工作場所和信息傳遞裝置的設計，主要研究如何設計合適的環境和信息傳遞裝置，使人可以舒適高效地工作;第三，環境控制與安全保護設計，主要研究從長遠利益出發，如何設計環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，人機系統的總體設計，人機系統工作效能高低主要取決于它的總體設計，即在整體上使“機”與人體相適應，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 人體下肢關節結構與步態規劃分析

決定下肢主運動狀態的主要關節包括以下三個：髖關節、膝關節和躁關節，都屬于活動關節，此外，一些不動或者少動關節也分布在腳部和踝部，這些關節也具有一定的調節功能，但在外骨骼設計中出于考慮簡化結構的目的，一般不做過多考慮。通過分析人體下肢骨結構，可以得出人的各個組成部分是按照剛體規律運動的，而人作為整體是非剛體的。人體的這種運動形式也稱為關節運動，關節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節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人體下肢關節結構

髖關節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，關節窩最深，最典型的杵臼關節。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。髖關節是一種多軸性關節，能同時做屈伸、收展、旋轉和環轉等不同的運動。但由于其構造原因，股骨頭深嵌在髖臼中，髖臼又有關節孟包繞股骨頭近2/3，所以關節頭與關節窩的面積相差很小，所以運動范圍也很小。

膝關節有三大關節包括髕骨關節、外脛骨關節和內脛骨關節，由脛骨內、外側踝以及髕骨構成，是人體最大且構造最復雜的關節。膝關節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。膝關節的主要運動是屈伸，在膝關節屈伸的同時小腿部分可以繞垂直軸做小范圍的旋轉、收展運動。

躁關節由脛、腓骨下端的關節面與距骨滑車構成，所以又名距骨小腿關節，與木匠用的榫頭類似，榫近側的凹陷形狀是由連接腓骨和脛骨的結締組織來維持的。踝關節狹窄的形狀是踝部的自然穩定性的主要來源，因此要具備足夠的穩定性來傳導足部與腿部之間的力。踝關節不同于上述關節，屬于滑車關節，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。

綜上所述，在下肢外骨骼的設計中，要充分考慮到從仿生學的角度分析，著重考慮到人體的這些結構特點，比如關節的自由度、運動范圍，下肢外骨骼的設計要盡量模仿人體的結構，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人體步態分析

在設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調性，對人體結構有適應性，因此對人進行步態分析在下肢外骨骼的設計中必不可少（如圖2）。

對步態進行研究可以得出：在一個步態周期中，要經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，可以發現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，人體步態周期會呈現較大的差異，人在運動過程中，人體的一些關節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規劃打下了基礎。

3 基于人機工程的無動力下肢外骨骼設計分析

3.1設計要求

綜合上述研究分析，得出了以下幾點設計要求：（1）下肢外骨骼在一定程度上可以視作使用者肢體的延伸，在結構設計上要充分考慮人機工程學和仿生學，在其設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揮的作用，以便更好地理解下肢外骨骼每個部件和結構發揮的功能;（2）下肢外骨骼應具有良好的可穿戴性，穿脫外骨骼不需要經過專業訓練，絕大多數人都可以自主完成順利穿脫;（3）下肢外骨骼應具備可調節性，下肢外骨骼要能夠適應各種使用者的身材，做到尺寸可調節;（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，各機構之間有良好的對的協調性，結構要足夠可靠來應對可能出現的沖擊載荷;（6）下肢外骨骼的運動要與人腿的運動具有良好的協調性，關節自由度的設置要與人體結構的自由度相匹配，讓使用者覺得順滑自然;（7）下肢外骨骼的設計歸根到底是產品的設計，對此要充分考慮到價值工程學的作用，在滿足功能的同時要盡量減少開發的難度和產品的成本。

3.2下肢外骨骼人機參數設計

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

根據我們的設計對象是成年人，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所示的數據，為了使設計的參數覆蓋到更多的人群，在此取第十百分位為下限，第九十百分位為上限，并加入適當的修正量進行外骨骼結構桿長的計算。例如，在大腿連桿部分，大腿連桿長度在428mm以下可調能滿足5%的人使用，在505mm以下可調則可以滿足95%的人使用，所以當大腿連桿的長度設置在428mm～505mm之間時可以滿足90%的人使用，以此類推。

3.3下肢外骨骼結構設計與分析

髖關節處的主要部件為腰帶連接處、球頭連接裝置、轉動軸和液壓軸。髖關節是用來連接大腿部分和腰部的，人體自然站立時髖關節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。

在滿足下肢外骨骼的整體強度的前提下，考慮到產品的重量與便攜性，同時為了簡化結構，大腿連桿內部采用彈簧進行緩沖與儲能，再配合大腿后方的液壓桿，可以充分實現壓力的分散和儲能助力目的。在站立狀態時，彈簧和液壓桿都處于輕微壓縮的狀態，此時整個人體處于略微前傾的狀態，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。

膝關節則由大腿連桿、小腿連桿、關節連接頭和大腿后側液壓桿組成，在上述的膝關節特征分析中已經提到過小腿通過膝關節和相關肌肉可以做出屈伸和微小的旋轉運動，但由于膝關節的結構緊固所以旋轉運動基本可以忽略。在膝關節的設計中采用有限元分析，設計了減重孔，減輕重量。在減重孔中還設置了限位螺釘，對膝關節起到限位保護作用。同時，膝關節上側各有一個金屬撥片，這個金屬撥片是關節鎖死的開關，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節機構，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，經過對比可以明顯看出，當人處于無助力狀態時，整個負載的重量都會由人體完全承受，經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，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境中使用。主體部分采用了鈦合金，鈦合金兼備了抗腐蝕、耐酸堿、密度低、強度高等諸多優點，很好地貼合了下肢外骨骼主題材料的需求。

4 結語

在下肢運動分析的基礎上結合人機工程學設計原則，完成了對本下肢外骨骼的設計，雖然在設計的過程中部分數據的處理和驗證尚且不完備，也缺乏足夠專業的設備和實物模型進行步態的捕捉與獲取，但其設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，該產品實現了以下幾點需求：第一，大大減少膝蓋肌肉的力量，從而減少膝蓋關節的力量;第二，可以實現步行，上升/下降樓梯和下蹲，以實現無阻礙的運動，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節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、結構的創新，為結構簡化提供了思考與參照，在后續的改進中，還將對現有設計進一步優化，制作出實物模型，進行系統的人體步行試驗和結構優化，進一步探索無動力下肢外骨骼設計的可能。

本文系2019年全國大學生創新創業訓練計劃項目“仿生助力產品設計”（項目編號：201910216054）;燕山大學億豐創新創業基金資助項目（項目編號：0130005）。

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作者簡介

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