用于下肢輔助行走的外骨骼產品設計研究*

朱 瑤，鐘安棋，阮琪暉，李 享，鄧祥龍，張 紅

(長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023)

0 引言

2021年第七次全國人口普查數據表明：截至2020年底，60歲及以上人口占中國人口總數的18.70%，比2010年人口普查結果增長了5.44%，老齡化程度加深[1]。老年人在年齡增長的同時，下肢逐漸“老化”，是除事故致殘人口外另一潛在的下肢殘障群體。在當今提倡健康中國的社會背景下，對用于輔助下肢行走的產品進行研究，實現下肢殘障人士獨立生活的需求，能夠有效減輕家庭及社會保障的壓力[2]。隨著產品設計趨于智能化、人性化，綜合機械設計、工業設計等多學科知識進行仿生設計的外骨骼助行產品研發越發成熟，全球外骨骼市場規模在2020年達到了360百萬美元[3]，可見提升外骨骼產品的實際應用價值極有利于國家經濟發展。

1 外骨骼產品概述

韓亞麗等[4]將下肢輔助外骨骼定義為“是一種穿戴在人體下肢外部，對穿戴者下肢進行運動助力的仿生機器人，可實現穿戴者負重行走運動，也可用于助老助殘”。國內外外骨骼產品如表1所示，在國外，美國和日本的外骨骼研發起步最早，如美國的BLEEX外骨骼、日本的HAL外骨骼等，甚至有一些產品已經投入使用，如美國XOS2外骨骼；其他國家也相繼展開外骨骼技術研究，如韓國的GEMS-L外骨骼、歐盟研發的Mind Walker外骨骼等。在國內，外骨骼的研究起步相對較晚，典型的有WPAL外骨骼、HIT LEX外骨骼，其中上海傅利葉Fourier X2是我國第一個實現落地并大批量生產的外骨骼產品。但當前各國對于外骨骼設計的研究重點為結合柔性材料、傳感系統等技術改善外骨骼的人機協調問題，其他方面仍存在一定不足，如外觀機械化、價格昂貴等，以至于外骨骼產品在市場、用戶中普及還存在較大的局限性[5]。

表1 國內外外骨骼產品

2 用戶特征及需求分析

當前用于下肢助力的外骨骼產品市場的目標用戶一般為老年人等下肢行動不便的殘障人群。結合李靜等[6]的研究分析可以將“殘障人群”視為存在生理功能缺陷導致活動受限、社交受阻的弱勢人群，這類人群由于下肢功能存在一定障礙甚至缺失，行動能力不足，生活中通常需要借助下肢輔助產品；并且他們在自己面對行動受限甚至無法獨立正常生活時，會感到自卑、焦慮，同時自尊心更強。根據該生理及心理特征，并通過馬斯洛需求理論分析，總結出以下幾點：①外骨骼產品的設計應注重造型美化、簡化操作方式，選擇合適材料以滿足其生理需求；②保證質量、結構安全，以滿足其安全需求；③提高人機交互能力，以滿足其社交需求；④增強用戶使用信心、保護用戶自尊能力，以滿足其尊重需求；⑤使其能夠自主生活，以滿足其自我實現需求。從用戶的生理及心理特征需求出發進行產品設計，能夠有效提升產品的實用性以及用戶對產品的滿意度[7]。

3 外骨骼產品設計思路

3.1 功能設計

根據產品功能可以將外骨骼產品分為主動助力式和被動牽引式。兩者的主要功能均為輔助使用者站立行走，其中主動助力式外骨骼產品以電機作為動力源，為下肢關節提供行動所需能量；而被動牽引式外骨骼產品是通過其機構設計將使用者行走所需的部分力量轉化為下肢邁步所需的力量[8]。通過文獻分析等前期調研得出，當前外骨骼產品主要以用戶為中心進行設計，實現產品功能滿足用戶需求。如圖1所示，其基本功能結構為：①信號傳感器收集肌電信號和腦電信號，通過傳遞激活用戶信息，由控制裝置控制產品動力裝置啟停；②下肢穿戴可調節骨架高度、圍度的外骨骼產品，通過機構運作實現下肢可獨立行走；③通過動力源轉換能量傳遞至相關裝置，實現產品正常工作。

圖1 外骨骼產品功能結構

3.2 結構設計

外骨骼產品主要由骨架內機械結構支撐其整體及執行功能，根據人機匹配性原則，該結構應參考人體下肢結構進行設計。人的下肢行動主要依賴于髖關節、大腿、膝關節、小腿、踝關節的配合運動，故目前外骨骼產品的整體結構一般包括髖關節固定結構、大腿肌肉包裹部分、膝關節換向及傳動結構、小腿肌肉包裹部分、踝關節運轉結構等部分。另外，在進行適應人體關節的外骨骼產品結構設計時，應綜合考慮使用者生理及心理特征的特殊性、不同用戶的差異性以及產品使用舒適度等，在各肌肉包裹部分長度、腿圍等設計點增加可調節伸縮裝置以增強產品的實用性和普適性[9]。

3.3 造型設計

通過結合當前多種外骨骼產品的設計研究進行分析，針對下肢殘障人群進行外骨骼產品造型設計時，應以殘障人群的生理及心理特征、外骨骼產品的使用舒適度及安全性、產品與人體的協調性等為設計依據，參照多數使用者的下肢形態特征進行造型仿生，通過與人體下肢相貼合的弧線及曲面設計柔化產品風格，避免過多直線或平面的使用以造成產品外觀偏向機械化；產品色彩設計應避免艷麗的顏色造成用戶情緒敏感，一般采用黑、白、灰等較為穩定的色彩作為主色調，同時可以采用醒目的紅、黃色等作為點綴以增強警示作用[10]。

3.4 材質設計

材質是影響外骨骼產品整體質量和使用性能的主要因素[11]，在設計過程中，外骨骼產品中起受力支撐作用的主體部分應采用高強度、質地偏硬的材料；關節轉折部分應采用耐磨性較好的材料，同時在使用過程中可以承受微小的形變；與人體下肢接觸的表面部分一般采用無刺激性、親膚的材料。在多種類型的材質中進行挑選時應盡量選用同等強度下質輕的材料，以解決當前多數外骨骼產品過于笨重的問題，特別是新技術與新材料出現后，超輕材料已經被廣泛應用[12]。

4 結語

當前外骨骼產品的設計過程已趨于系統化，但隨著老年人及殘疾人等人群比例的上升，國家對養老助殘行業的政策支持力度加大，國內骨骼產品發展面臨的挑戰增多且受到國外外骨骼產品偏技術研發的沖擊，在保證功能實現的基礎上，除關鍵技術外，創新性、易用性、人機協調性、安全性等共性應為我國外骨骼產品未來設計的重心。首先需要研發者對下肢殘障人群能夠充分了解，其次在產品功能、結構、造型、材質、交互形式、使用方式等方面以滿足使用群體的生理及心理特征需求為主旨對其進行完善設計。本文根據調研分析提出的外骨骼產品設計思路對解決現行產品造型機械化、普適性差、人機匹配度低等問題有一定幫助，可為外骨骼產品的系統設計提供參考。