一種保護青少年脊柱健康的減重背包設計與研究

秦 榕，涂細凱,，甘 暢，李 肖

一種保護青少年脊柱健康的減重背包設計與研究

秦 榕1，涂細凱1,2，甘 暢2，李 肖2

(1. 湖北工業大學工業設計學院，湖北 武漢 430068；2. 湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068)

目前市面上的青少年背包主要通過肩部來進行載荷，而忽略了腰部載荷的作用。背包長期負重不當會影響脊柱生長。為了平衡肩部、腰部和臀部的載荷，設計一種通過臀部帶和彈性桿結構改變重力傳遞方式的減重背包。首先對人體背包進行生物力學分析，提出設計方案；然后借助ADAMS對傳統背包與減重背包在平地、上坡、下坡3種路況下進行人體肩部、腰部和臀部載荷的動力學仿真，并利用MATLAB對2種背包的肩部、腰部和臀部的力矩進行分析。結果表明減重背包減輕了肩部6.1%和腰部5.4%力矩；減重背包肩部力矩與腰臀部合力矩的比值是4.17，而傳統背包的比值是6.58。減重背包減少了肩部和腰部的載荷，同時發現肩部力矩與腰、臀部合力矩的比值越小，轉移到臀部的力矩越大，背包的平衡性越好，表明了減重背包優于傳統背包。

保護脊柱；腰背部疼痛；減重背包；重力傳遞；青少年；臀部帶

隨著青少年脊柱側彎和駝背及肌肉骨骼疾病的人數逐年升高，學校和家庭對于青少年的健康越來越重視。背包作為青少年學習生活中必不可少的工具，長時間負重會對人體脊柱、腰部以及身體平衡造成危害[1-2]。

平衡對人體非常重要。研究表明，當背包的重量增至15%時，青少年很難保持正常身體姿勢，致身體失去平衡，同時肩、背和腰部產生疼痛[3-4]。因此直接或間接的影響了青少年的脊柱健康和成長發育。為了解青少年負重與身體平衡性、脊柱彎曲及腰背部疼痛等健康問題之間的關系。GRIMMER等[5]提出青少年背負與未背負背包在寰枕關節絕對差值上存在顯著差異，表明背包對兒童的脊柱有影響。另有大量關于青少年背包重量限制的研究，如CHANSIRINUKOR等[6]發現，青少年背15%BW (體重Bodyweight)的雙肩背包時，軀干前傾角度變大。其角度的變大是為了穩定重心、保持身體平衡[7-8]，表明學生通過前傾來抵消重物引起的向后扭力來改變重心位置，并保持身體的平衡。GOH等[9]收集背負0，15%BW和30%BW背包行走的青少年腰骶關節數據。背負15%BW和30%BW的背包時，腰骶關節的強度比未負重分別增加了26.7%和64.0%，可能會導致腰痛和脊椎損傷。王敏和陸阿明[10]研究了不同背包方式行走對大學生脊柱角度的影響，發現雙肩背包對于脊柱的傷害最小。王佳和王潔[11]研究了不同重量背包對兒童脊柱健康的影響，證明了髖部平衡能力與年齡沒有直接的關系。以上研究均集中發現背包的問題，并未針對問題提出相對應地解決方案。

關于背包減重設計國外有較多地研究，如COTTALORDA等[12]發現背包的形狀可以更好地分布重量和提高舒適度。伊朗科學技術大學的AMIRI等[13]以用戶為中心的設計方法結合正常的標準和人體工程學特征背包可以顯著降低肩膀、頸部的有效載荷。印尼萬隆理工學院的PUTRA等[14]設計了懸掛式背包，讓背包與背部做相對運動，以盡量減少人體在行走或跑步時背包上下運動對于人體造成的沖擊力。以上設計均使用傳統的腰部帶將重力傳遞，忽略了背包對人體平衡性及腰背部疼痛的影響。

上述對于保護青少年脊柱的背包研究各有側重點，有關注背包對青少年脊柱腰部造成的影響，也有從背包省力角度進行設計，但少有兩者結合地研究。身體的平衡性下降會造成肩部及腰背部疼痛，從而影響脊柱健康[3]。針對以上問題，本文設計了一款減重背包，以減少肩部、腰部的載荷，將背包重量精準傳遞到下肢，從而減少腰背部的疼痛，保護脊柱的健康。

1 力學分析

1.1 背包生物力學分析

分析青少年背負雙肩背包時，背包與脊柱之間的受力情況。根據生物力學原理，建立青少年在背負雙肩包時的力學模型。

如圖1所示，1和2分別為背包對人體所產生的作用力的受力點，1和2分別為人體對背包所產生反作用力的受力點。F是背包作用于腰部的壓力，背包為施力方，人的腰部為受力方；F是背包作用于腰部壓力的反作用力，人的腰部為施力方，背包為受力方；F是背包作用于肩部的壓力，背包為施力方，人的肩部為受力方；F為背包作用于肩部壓力的反作用力，人的肩部為施力方，背包為受力方。

1.2 脊柱受力分析

脊柱是人體重要的支撐結構，人體脊柱要到16歲以后才會發育完全。在此之前，身體的姿勢很容易受到身體內外因素的影響而發生變形[15]。背負重物會造成頸部、肩部、背部肌肉群的緊張。并且長期背包所產生的影響會使身體姿勢發生永久性變化，從而引發脊柱相關疾病[16]。

圖1 青少年背負背包的力學模型

背包過重會讓青少年身體不自覺前傾來對抗背包重量。如圖2所示，脊柱由頸椎、胸椎和腰椎三部分構成，其中1為頸椎所受的壓力，引起頸椎向前傾；2，4分別為胸椎所受的壓力，引起胸椎向后凸；3為腰椎所受壓力，引起腰椎向前凸，從而導致脊柱曲度產生變形。

圖2 脊柱的縱向承重示意圖

2 背包方案設計

通過分析背包力學和人體脊柱的受力情況，可對青少年背部的受力有進一步的了解，當背包行走時，過重的背包會使身體后傾，這種負重方式從外部對人體施加載荷，改變身體重心的位置。為了對抗這種外部阻力的影響，維持青少年的身體平衡和穩定，勢必會進行身體姿態調整，使得整個背部向前傾斜來保持人體重心[17]。背包部分重量合理傳遞能夠減輕其對腰背部的載荷，穩定重心，減少腰背部所受力矩，從而保護脊柱健康。

2.1 減重背包設計原理

背包會對青少年的身體造成外部負重，并改變身體重心的位置。結合力學知識，將背包的部分重量轉移到髖關節，這樣可將重力部分傳遞到下肢，減輕背包對上肢的載荷，穩定人體重心，保持身體的平衡狀態。

關于青少年身體外部平衡，背包的負載“”引起的傾覆力矩“M”與青少年自重引起的阻力力矩“M”進行比較。如果“M”比“M”更強，身體自然會向前傾斜，從而減少力“”的杠桿臂，且最終減小傾覆力矩。如圖3所示，這種情況下，減重背包方法是：最小化“”和軸“”之間的距離，其中“”為人體主軸。

圖3 減重背包原理圖((a)受力分析；(b)減重方法)

式(1)為綜合圖1的受力分析，可得到如圖4所示的力矩分析圖，其中1為肩部的轉軸，2是背包重力對人體產生的力矩，1是人體為對抗背包重力而產生的力矩；2為腰部的轉軸，4是背包重力對人體產生的力矩，3是人體對抗背包重力產生的力矩；3為臀部的轉軸，5是背包臀部帶對人體產生的力矩。

圖5為背包減重系統的側視圖，以髖關節處為主軸，通過一根彈性材質的連接桿將背包頂部彈性帶與髖關節部位的臀部帶中的彈簧相連接。減少了背包與人體主軸之間的距離，將背包的重量精準地通過臀部帶傳遞到下肢。青少年在背負背包行走時，背包隨著人體的步態上下晃動，即彈性桿會隨著背包的向下運動儲存彈性勢能，并向上釋放彈性勢能，從而減少背包對人體向下的沖擊力。同時彈性桿儲存的彈性勢能通過臀部帶的彈簧裝置將重量傳遞到人體下肢，從而達到減重的目的。

圖4 減重背包力矩分析圖

圖5 減重系統側視圖

圖5為臀部帶彈簧裝置結構圖，人體在行走過程中彈性桿受到背包的重力，彈性桿儲存彈性勢能并向上釋放勢能，同時壓縮彈簧裝置中的彈簧。彈簧通過儲存彈性勢能，向下壓縮彈簧，減少臀部帶上下滑動，維持臀部帶平衡。然后彈簧再向上釋放彈性勢能，從而減輕背包的重力，減少背包對于腰背部的載荷。

2.2 臀部帶設計

傳統背包是通過腰部帶來減輕背包對肩部的載荷，腰部帶直接連接背包，存在柔性變形，會影響重力傳遞。如圖6所示，動作“V”是由身體和腰帶之間的摩擦力來實現平衡的，由此產生的彎矩“M”由水平力“M/”的間隙來平衡(“”約為腰部帶的80%高度)。長時間下，虛線部分為腰部帶受到摩擦力的影響而產生向下滑動的現象，從而不能很好地傳遞重力。

傳統的背包腰部帶通常會下滑致腰部和臀部之間，無法精準傳遞背包重量。而臀部帶設計的關鍵是髖關節的彈簧裝置，髖關節是連接人體上、下肢的關鍵關節[18]，在人體主軸兩側髖關節處設計彈簧裝置，用來連接彈性桿，以緩解對臀部帶的沖擊力。圖7為臀部帶位置，考慮到臀部帶將連接彈簧裝置，傳統的材質會因背包重量導致臀部帶損壞，所以設計時臀部帶需選用皮帶材質，保證彈簧裝置的有效連接。

圖6 腰帶柔性變化示意圖

圖7 臀部帶位置正視圖

2.3 材料選擇與計算

本文設計的減重背包中運用了彈性桿和彈簧，目的是幫助青少年分散背包重量，從而穩定重心。

2.3.1 彈性桿

彈性桿作為背包的主要承重部件，既要滿足輕便性，又要兼顧材料的強度以滿足承載背包的重量。本文選用了T700碳纖維材料的彈性桿[19]，其抗拉強度>3 500 MPa，工作的最大應力為2 055.2 MPa，滿足背包所需要的強度。所以選用T700碳纖維材料的彈性桿。

2.3.2 彈 簧

結合減重背包臀部帶彈簧裝置的結構，選擇圓柱螺旋壓縮彈簧。在ADAMS仿真軟件中得到身高167 cm和體重55 kg的男性青少年在背負8.5 kg的減重背包行走時[6,20]，臀部帶受到的最大力矩為61 N·m。根據《機械設計手冊》[21]圓柱螺旋壓縮彈簧的公式，計算出臀部帶彈簧的基本參數，即

其中，為直徑；為有效圈數。

考慮到臀部帶位置以及彈簧裝置的尺寸等實際情況，本文選擇為2 mm、為14的GB4358琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧。

2.4 整體方案設計

在減重背包的外觀設計中，利用工業設計美學法則中的統一與變化、對稱與均衡、穩定與輕巧，結合彈性桿及彈簧裝置的結構設計，從圓潤的形態進行發散思維，繪制出如圖8所示的3個方案圖。為了客觀地對背包進行評價，通過語義差異法問卷調查方式對15～22歲的青少年進行調研，共發放70份問卷，回收有效問卷70份。其中選擇方案1的用戶占12.2%，選擇方案2的占31.8%，選擇方案3的占56.0%，最終選擇方案3進行深入細化處理。

圖8 減重背包初步方案圖((a)方案1；(b)方案2；(c)方案3)

圖9為最終整體方案圖，利用靜態學和美學原則，背包上寬下窄為倒梯形的流線型設計，遵循力量規則流動的結構[12]，具有美觀、優雅的造型，且能合理分配背包重量。其不僅能夠在外形上對青少年有吸引力，還可以利用形體輔助穩定背包重心。彈性桿上端通過方形扣與彈性帶相連接，彈性帶通過磁吸扣與肩帶連接，減小背包對人體的拉力，防止背包前后晃動。磁吸扣可快速打開且固定性良好，不僅方便打開背包，還具有防盜作用。彈性桿的下端與彈簧裝置相連接，將背包重量傳遞到人體下肢。背包背板、肩帶、腰帶與身體密切接觸，為了增加背包的舒適性和緩解對身體的壓力，特增加了氣囊設計。氣囊可以自動充氣，使人體和背包更加貼合，減少背包對人體的沖擊力，緩解腰背部的疼痛。腰部帶與臀部帶均可以調節長短，滿足不同體型青少年的需求。圖10為減重背包細節效果圖。

圖9 減重背包整體方案模型

圖10 減重背包細節效果圖((a)磁吸扣；(b)彈性桿連接處；(c)管扣；(d)氣囊閥門；(e)胸扣；(f)臀部帶插扣)

3 減重背包方案仿真分析

3.1 動力學仿真分析

長時間背包負重會導致身體前傾造成腰背部疼痛，減少背包載荷可以減少身體前傾，為了分析青少年背負減重背包在不同路況下行走時能比傳統背包減少對腰背部的載荷，利用ADAMS軟件分析背負2種背包時肩部、腰部和臀部所受力矩的變化，力矩越小腰背部承受載荷越小，從而減輕腰背部的疼痛[22-23]。

3.2 模型的建立

人體模型中的主要參數是身高和體重，由于青少年還在成長期，身高體重有一定的差別。根據國家人口健康科學數據中心數據倉儲PHDA中的中國青少年健康數據[20]，選取身高167 cm，體重55 kg作為參考標準。本文在保持人體運動特性的情況下，對人體模型進行了簡化，進而提高仿真效率。對人體結構按照解剖學比例來進行建模。除此之外，由于是進行不同路況下的行走仿真，還需要建立平地、上坡和下坡3種地面模型。

ADAMS軟件是一個功能強大的動力學分析軟件，雖然可提供建模的模塊，但并不適用于創建像人體這樣具有復雜的曲面模型。本文采用SOLIDWORKS參照人體的尺寸建立三維模型，如圖11所示，并通過數據轉換將模型導入ADAMS，并對各部件的材料、質心以及人體和背包的參數進行設定。

圖11 青少年模型尺寸圖

3.3 施加約束和接觸

模型構建之后，首先將頭部、頸部、軀干合成一個整體，肩關節建立旋轉副，肘部關節加入旋轉副，髖部關節為球副，膝關節建立旋轉副，踝關節建立球副。足部和地面設置接觸，使足部在地面上方，設置為碰撞，同時設置其剛度、阻尼等參數，并施加重力。

對減重背包和傳統背包的各部分散落零件進行添加與背包的固定副。由于減重背包的彈性桿以及彈性帶在人體背負過程中會產生彎曲、拉伸等變形運動，所以對彈性桿及彈性帶進行柔性化處理。

3.4 關節角度變化控制函數設計

本文使用STEP函數模擬人體下肢運動并為關節添加驅動，以實現各個關節角度的驅動[24]。根據ADAMS人體動力學的建模與仿真研究中羅小美的人體模型數據[25]，利用STEP函數對關節驅動數據進行賦值。

3.5 運動仿真實驗

上述設定完成后進行仿真，主要是對比青少年背負傳統背包和減重背包時，肩部、腰部、臀部所受力矩的大小。本文以平地，上、下斜坡為例進行分析。通過 ADAMS軟件測量人體左、右肩部、腰部和臀部的力矩，將測量的數據導入MATLAB中，畫圖進行受力分析對比。

圖12為人體背負傳統背包和減重背包的模型。

圖12 傳統背包與減重背包動力學仿真對比圖((a)傳統背包；(b)減重背包)

3.5.1 平地行走受力分析

在ADAMS中，軸垂直于人體，背包對于肩部的力為向下拉扯的力，所以軸受到的力為背包對人體的力。通過對人體背負傳統背包與減重背包的行走過程進行仿真，得到平地行走的受力分析對比曲線圖，如圖13所示。

圖13 人體背負減重背包和傳統背包平地行走的受力分析對比圖

由圖13可知，減重背包與傳統背包肩部的最大力矩分別為165.76 N·m和206.87 N·m，減重背包較傳統背包肩部所受力矩減少了19.9%。在腰部力矩的受力曲線中，減重背包與傳統背包的最大力矩分別為42.73 N·m和84.29 N·m，所受力矩減少了49.0%。減重背包比傳統背包受力曲線平穩。

3.5.2 上坡行走受力分析

袁川[26]和楊子涵[27]的數據研究表明，斜面越大，重力的下滑分量越大，想要上升，就需要用更大的力量，因此坡度越陡越費力，本文取15°的坡作為實驗坡度，同樣對人體背負傳統背包與減重背包的行走過程進行仿真。

如圖14所示，人體背負減重背包和傳統背包在上坡的過程中肩部受到的力隨著時間延長而增大，減重背包的肩部受力曲線與傳統背包相比較為平穩，減重背包和傳統背包的肩部最大力矩分別為288.54 N·m和373.32 N·m，所受力矩減少了22.7%。在腰部受力曲線圖中，減重背包和傳統背包的受力曲線呈平緩增長，同樣傳統背包的受力曲線高于減重背包的受力曲線。兩者最大力矩分別為66.00 N·m和95.98 N·m，所受力矩減少了31.2%。

圖14 人體背負減重背包和傳統背包上坡行走的受力分析對比圖

3.5.3 下坡行走受力分析

根據文獻[26-27]，采用15°的坡度進行實驗仿真。

如圖15所示，減重背包和傳統背包的受力曲線均有明顯的差距，兩者最大力矩分別為260.50 N·m和344.44 N·m，所受力矩減少了24.4%。同樣在腰部受力曲線圖中，減重背包和傳統背包的受力曲線呈持續下降，傳統背包的受力曲線始終高于減重背包。兩者最大力矩分別為50.49 N·m和79.89 N·m，所受力矩減少了36.8%。

圖15 人體背負減重背包和傳統背包下坡行走的受力分析對比圖

由圖13～15可知，減重背包的臀部帶在平地、上坡和下坡的行走過程中所受的最大力矩分別為61.37 N·m，61.37 N·m和57.89N·m。說明臀部帶在行走過程中將背包的一部分力轉移，減輕了上肢載荷。而減重背包的臀部帶受力曲線圖較為平穩，表明了臀部帶的彈簧裝置起到了平衡的作用。隨著時間的增加人體腰背部所受載荷增大，腰背部肌肉疲勞感會加劇[28]。減重背包可以有效減少載荷，降低疲勞感，緩解腰背部疼痛。

4 數據分析

表1中計算了傳統背包的左、右肩部的力矩平均值分別為193.77 N·m和203.21 N·m，占上肢受力的42.4%和44.4%。2組數據的相關性= 0.951以及標準偏差為1.05，說明左、右肩部之間具有極大的相關性，且力矩會隨著一邊的變化而變化。腰部的力矩為60.31 N·m，占上肢受力的13.2%。肩部與腰部的力矩比值為6.58。肩部的標準偏差為2.4，腰部的標準偏差為19。說明肩部的數據比較穩定，而腰部的力矩數據離散程度高，起伏比較大。

表1 傳統背包及減重背包的各個部位的數據分析

在減重背包中左、右肩部的力矩平均值分別為164.42 N·m和163.92 N·m，占上肢受力的40.4%和40.3%。低于傳統背包肩部力矩6.1%。減重背包的肩部力矩相關性=0.98，標準偏差為0.75，說明左、右肩部的力矩相關性極高，且數據較為平均，離散程度低，數據穩定。說明左、右肩部力矩會隨著一邊的變化而變化。腰部力矩的平均值為31.8 N·m占上肢受力的7.8%。低于傳統背包腰部力矩5.4%。臀部力矩為46.42 N·m，占上肢受力的11.5%，肩部力矩與腰臀部合力矩的比值為4.17。

對比2種背包，傳統背包在背負行走中兩肩部的標準偏差為1.59和2.44，相差0.85；而減重背包左、右肩部的標準偏差均為0.2，表明減重背包的穩定性優于傳統背包。傳統背包和減重背包的肩部與腰部和臀部的力矩和比值分別為6.58和4.17。傳統背包和減重背包的肩部力矩，與腰臀部合力矩的比值分別為6.58和4.17。說明比值越小肩部與腰部轉移到臀部力矩變大，背包越平衡。

5 結 論

本文設計了一種減重背包，該背包可以通過臀部帶將重量精準傳遞至下肢，以穩定重心，保持人體的外部平衡，從而減少腰背部的疼痛，保護脊柱的健康。首先，對背包和人體的脊柱進行生物力學分析，確定人體背包的受力原理，根據受力原理提出減重背包的設計方案。通過彈性桿設計將背包向下的垂直力精準傳遞到髖關節的臀部帶，縮短背包與人體之間的距離，將背包重量傳遞到下肢。在背包臀部帶與彈性桿連接處有彈簧裝置，可以抵消背包向下的力，防止臀部帶的下滑。再進行彈性桿與彈簧材料的選取。然后用ADAMS仿真軟件對比傳統背包與減重背包在平地、上坡、下坡3種路況下青少年肩部、腰部所受的力矩。仿真結果為：平地行走時肩部、腰部所受的力矩分別減少了19.9%和49.0%；上坡行走時肩部、腰部所受的力矩分別減少了22.7%和31.2%；下坡行走時肩部、腰部所受的力矩分別減少了22.4%和36.8%；臀部帶在平地、上坡和下坡的最大力矩分別為61.37 N·m，61.37 N·m和57.89 N·m；表明減重背包比傳統背包對肩部、腰部產生的力矩更小，能夠有效傳遞重力，減輕腰背部的疼痛，以保護青少年的脊柱健康。最后通過計算得出傳統背包的左、右肩部的標準偏差大于減重背包，證明減重背包的穩定性優于傳統背包；傳統背包和減重背包的肩部力矩，與腰臀部合力矩的比值分別為6.58和4.17，說明比值越小肩部與腰部轉移到臀部的力矩越大，背包越平衡。本文設計并驗證了一個有效減輕青少年腰背部疼痛和保護脊柱的減重背包，為后續的相關設計提供了科學參考依據。

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Design and research of a weight-reducing backpack to protect the health of adolescents’ spine

QIN Rong1, TU Xi-kai1,2, GAN Chang2, LI Xiao2

(1. College of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan Hubei 430068, China; 2. School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan Hubei 430068, China)

At present, in the case of backpacks for the youth on the market, weight is mainly designed to be carried by shoulders, which ignores the role of the waist in load-carrying. Long-term improper loading of backpacks can affect the growth of one’s spine. In order to balance the load on shoulders, waist, and hip, a weight loss backpack was designed to change the way of gravity transmission through the hip belt and elastic bar structure. Firstly, the biomechanical analysis of the state of the human backpack and the spine was carried out, and the weight-reducing principle of the backpack was achieved according to the force analysis. Then, the torque analysis was carried out on shoulders, waist, and hip of the weight-reducing backpack, and a design plan was proposed. Next, the traditional backpack was analyzed by ADAMS. The dynamic simulation of human shoulders, waist, and hip loads was carried out with the weight-reducing backpack under three road conditions of even ground, uphill, and downhill conditions, and the moments of shoulders, waist, and hip in the cases of the two backpacks were analyzed by MATLAB. The results show that the weight-reducing backpack could reduce the shoulder moment by 6.1% and the waist by 5.4%; the ratio of the shoulder moment of the weight-reducing backpack to the combined moment of the waist and hip was 4.17, and the ratio of the traditional backpack was 6.58. A conclusion could be drawn that the weight-reducing backpack could reduce the load on shoulders and waist. At the same time, it was found that the smaller the ratio of the shoulder moment and the combined moment of the waist and hip is, the greater the moment transferred to the hip, and the better the balance of the backpack, indicating that the weight-reducing backpack outperforms the traditional ones.

spine protection; low back pain; weight-reducing backpack; gravity transmission; adolescents; hip belt

TH 122

10.11996/JG.j.2095-302X.2022050948

A

2095-302X(2022)05-0948-09

2022-02-13；

2022-05-19

13 February，2022；

19 May，2022

國家自然科學基金項目(52005169)；武漢市科技計劃項目(2020020602012087)

National Natural Science Foundation of China (52005169); Wuhan Science and Technology Project (2020020602012087)

秦 榕(1993-)，女，碩士研究生。主要研究方向為穿戴設計與人機交互研究。E-mail：359972989@qq.com

QIN Rong (1993-), master student. Her main research interests cover wearable design and human-computer interaction. E-mail：359972989@qq.com

涂細凱(1983-)，男，高級工程師，博士。主要研究方向為康復工程、外骨骼設計與控制。E-mail：tuxikai@gmail.com

TU Xi-kai (1983-), senior engineer, Ph.D. His main research interests cover rehabilitation engineering, exoskeleton robot design and control. E-mail：tuxikai@gmail.com