基于跑步步態特征的膝關節助力外骨骼產品設計研究

張凡煦 曹恩國

摘要：隨著外骨骼相關理論研究與設計的不斷發展，助力外骨骼逐漸普及。外骨骼產品不僅是運動能力受損人群的康復輔具，而且逐漸成為人們生活中必不可少的運動輔助工具。為了提高外骨骼產品的人機協同性及助力效能，探索被動式柔性助力外骨骼的設計路徑，拓展外骨骼應用場景，文章從人體跑步步態特征入手，對人體生物力學特征和步態周期性特征進行研究，總結出跑步時人體運動步態的周期性規律及能量轉換規律，并提出基于跑步步態特征的下肢助力外骨骼結構設計的關鍵部分，從人機尺寸的選擇、外骨骼關節的插齒結構設計、人體附著固定方式、彈性元件選擇以及基于人機步態協同的控制策略五個方面進行膝關節助力外骨骼結構設計，并基于結構設計進行設計實踐，提出三種外觀方案，針對其中一種方案進行結構優化和外觀細化。結合步態特征的特殊關節鎖定結構實現下肢外骨骼的儲能與釋能助力效果，基于用戶體驗設計出一款符合用戶需求和外骨骼設計原則的被動式助力外骨骼，實現柔性助力和輕量化的設計目標，為外骨骼產品的設計提供思路與方向，為被動式柔性外骨骼的設計研究提供借鑒。

關鍵詞：工業設計；助力外骨骼；步態研究；運動輔具

中圖分類號：R318；TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）05-0-04

0 引言

膝關節助力外骨骼在運動輔助、有負載的武裝部隊以及生物力學研究等方面有著實際的效用。長期以來，下肢助力外骨骼致力于降低人體的能量代謝，以減輕運動帶來的負荷或增強人的運動能力。基于跑步步態特征的膝關節助力外骨骼產品，可以最大限度地利用人體運動時的能量轉化，發揮外骨骼的助力效用。

1 膝關節助力外骨骼概述

膝關節助力外骨骼是基于人體膝關節結構及肌肉工作原理，通過類人的機械結構設計與用戶綁定，形成一體化可穿戴移動設備，成為除用戶自身之外，為用戶提供保護支撐的第二副“骨骼”，可以有效緩解用戶膝關節在運動時產生的損耗和能量代謝。

根據驅動方式的不同，膝關節助力外骨骼可以分為主動式和被動式，其中被動式助力外骨骼利用人體運動時的儲能和釋能規律，回收運動時產生的能量，再反作用于人體進行助力。被動式外骨骼根據助力材料的不同，可以分為剛性材料支撐助力和柔性材料彈性助力。利用柔性材料設計的被動式膝關節外骨骼由于仿生程度更高、便攜性和穿戴體驗更好、造價較低，更有利于外骨骼產品的市場化普及，是外骨骼產品設計研究的熱點。柔性助力外骨骼不能完全取代使用者的關節運動功能，對使用者的運動能力有一定要求，因此柔性助力外骨骼十分適合作為運動輔具產品的設計研發方向。

膝關節由于磨損后不可逆的特殊生物結構，在人體跑步時往往承受著較大的載荷，更需要保護和支撐。基于跑步步態特征的膝關節外骨骼設計在提升外骨骼的人機配合水平和可用性、拓展膝關節外骨骼的應用場景以及優化外骨骼的用戶體驗方面具有實際價值。

2 人體跑步步態特征

2.1 跑步步態周期特征

人體在行走或者跑步時的肢體運動呈現出周期性規律，因此步態周期被當作步態特征分析的基本單位，當一只腳接觸地面時，步態周期開始，當同一只腳再次接觸地面時，步態周期結束。從腳接觸地面到離開地面，這一階段被稱為支撐相；從腳離開地面到再次接觸地面，這一階段被稱為擺動相。步行和跑步的支撐相與擺動相，存在進一步的細分。

通常認為，區分步行與跑步的步態標志是步行在支撐階段存在雙腳觸地的特征，而跑步在擺動階段存在雙腳離地的特征。在步行步態周期中，支撐相占整個步態周期的50%以上，而在跑步步態周期中，支撐相在整個周期中的占比隨著速度的提高而逐漸降低。研究表明，在跑步步態周期中，支撐相通常結束在周期的36%～39%，一些頂尖短跑運動員甚至可以將支撐相壓縮到整個周期的22%。跑步步態中，隨著速度的提高，腳接觸地面的部位會逐漸前移，由后腳轉移到前腳。但無論速度如何，步態周期都會存在交替的加速周期和減速周期，被稱為儲能階段和釋能階段，在這一過程中存在下肢運動的能量轉換。

2.2 跑步的生物力學特征

步行和跑步時，膝關節的運動情況是類似的，但運動的極限和負載是不同的。相較于步行，跑步時膝關節彎曲和伸展的角度更大，這是由跑步時更高水平的能量轉換所決定的。在跑步時，膝關節角度的變化也呈現出周期性的規律，相較于其他關節，膝關節運動角度的變化更為明顯，呈現先增大后減小然后再增大的變化趨勢。

在步行活動和跑步活動中，動能與勢能之間的轉化規律有很大區別。在跑步活動中，運動效率主要通過人體下肢彈性結構的拉伸儲能和彈性勢能的釋放來維持，勢能和動能的轉化并不明顯。在跑步過程中，勢能和動能在擺動相中段達到峰值。當重心向地面下降時，勢能就損失了，當腳接觸地面時，動能也會損失。大部分失去的勢能和動能被轉化為彈性勢能，并儲存在肌肉、肌腱和韌帶中。在擺動階段，質心向上加速，勢能和動能都增加。這種運動的能量由肌肉的主動收縮和韌帶及肌腱的瞬間形變釋放的彈性勢能提供。因此，下肢彈性結構中的能量儲存在跑步中比在步行中發揮更重要的作用。但即使是這種理想的能量儲存與釋放，也會產生顯著的肌肉代謝成本。這一生物力學特征為后續彈性元件和儲能元件的設計提供了指導。

3 基于跑步步態特征的下肢助力外骨骼結構設計

膝關節助力外骨骼是基于跑步步態的周期特征及生物特征，通過附著在人體外部的彈性元件儲能并在一定時刻釋放能量，從而達到降低膝關節負荷和運動時產生的代謝成本的目的。膝關節助力外骨骼設計分為五個關鍵部分，分別是人機尺寸、人體附著固定、外骨骼關節、彈性元件、控制策略。

3.1 人機尺寸

在設計下肢外骨骼時，人體的基本尺寸需要考慮在內［1］，由于本研究是針對下肢外骨骼的設計，所以必須了解人體大腿長、小腿長以及足部長度。根據國標成年男性與女性人體尺寸對照表［2］，可得到人體尺寸P1、P5、P10、P50、P90、P95、P99的身高及大小腿長度的百分位數據。另外，根據《人體工程學圖解》，可以得到人體踝關節到足底長度及足部長度的相關數據。下肢外骨骼的設計與人體的尺寸密切相關，要考慮大多數人的適用情況，因此選取人體尺寸90百分位到99百分位的數據作為參考。

3.2 人體附著固定

膝關節外骨骼的附著固定對外骨骼的有效性十分重要，既要保證固定的穩定性，又要保證不妨礙人體的正常步態，同時還要防止外骨骼產品與人體下肢發生相對偏轉。由于彈性膝關節外骨骼需要有跨越膝蓋的彈性材料，所以外骨骼存在兩個基本的人體附著固定端，靠近髖關節的一端被稱為近端，靠近足部的一段被稱為遠端。近端的固定點選擇髖關節下方的合適位置，通過剛性連接與綁帶將外骨骼與大腿固定，大腿肌肉可以限制外骨骼向上移動，在外骨骼發揮作用時，返還的彈性勢能將通過摩擦力為大腿提供向上的輔助力量。遠端的固定點由于關系到膝關節外骨骼的鎖定與解鎖，所以設置在足部接觸地面的部位。根據前述研究，跑步時足部觸地位置為前腳掌，因此將遠端固定點設置在前腳掌跖骨間關節外側，通過剛性材料足蹬與綁帶將外骨骼與足部固定。

從理論角度來說，彈性材料的長度越長，下肢外骨骼的效用越強，但若近端固定點在髖關節以上，則其固定和穿戴將變得更加困難。本文所述外骨骼近端與遠端的固定方式是綜合產品性能與固定強度的結果。

3.3 外骨骼關節設計

Yagn曾在1890年提出了一種平行式的彈性外骨骼，該裝置通過每條腿外側平行的外部被動彈簧來傳遞載荷，從而降低生物載荷，增強穿戴者的跑跳能力。但這種跨越膝蓋的被動彈性材料在擺動相時會抵抗膝蓋的彎曲，無法與膝關節角度的周期性變化同步。

要使外骨骼不干擾人體正常的步態，就需要外骨骼關節精確鎖定在膝蓋伸展的最大角度，確保彈性材料在腳觸地的同時開始變形，最大限度地儲存能量，并在隨后的擺動相之前解鎖，返還能量且不影響膝關節的正常屈伸。跑步步態雖然存在規律性的周期變化，但是用戶跑步每一個周期的步幅都不可能與上一個周期完全相同，反映在外骨骼上即跑步步態每一個周期的膝關節角度活動范圍是不同的。因此要將外骨骼關節角度設置在一定范圍之內，并合理地設置鎖定擋位，以此消除用戶步幅的隨機性對外骨骼可用性的影響。

前述研究表明，用戶跑步時腳觸地瞬間的膝關節伸展角度受速度影響，速度越大，膝關節最大伸展角度就越大。根據運動學的相關研究，人體以不同速度跑步時，足部觸地瞬間的膝關節角度為130°～175°［3］，因此根據近端和遠端的固定點及彈性桿的長度，計算出外骨骼關節在用戶足部觸地瞬間的角度范圍為120°～160°。在此角度范圍內設計外骨骼關節插齒結構，與插頭嚙合進行關節鎖定，每個擋位之間的角度適配則通過在外骨骼關節設計中提供3.5°的活動自由度來自適應每個擋位的鎖定。

外骨骼關節通過插頭和插齒的插入嚙合進行鎖定，插齒是根據反曲線和漸開線原理設計的特殊齒狀結構，根據前述角度分為若干個檔位，上方活動轉槽為插齒結構提供3.5°的轉動自由度。插頭根據插齒形狀而設計，確保在用戶足部觸地時膝關節伸展的角度范圍內任意角度都可以準確插入插齒，且不會脫出齒槽，為外骨骼關節提供鎖定，在重力勢能和動能的作用下促使彈性桿發生形變，進而儲存彈性勢能。

3.4 彈性元件

外骨骼的彈性元件由位于可鎖定外骨骼關節近端和遠端的半剛性玻璃纖維復合材料組成。玻璃纖維材料具有良好的耐腐蝕性，抗拉強度大、彈性模量高，抗沖擊、抗疲勞性能良好，是生產制造運動輔具的常用材料。目前，玻璃纖維增強復合材料由于能夠有效減輕結構重量等性能，已被廣泛應用于滑雪板、高爾夫球桿、網球拍、自行車等運動器材中［4］，并且應用的范圍正在不斷擴大。使用玻璃纖維復合材料制作助力外骨骼產品的彈性元件，可以滿足產品的助力和強度需求。

3.5 控制策略

本研究設計的是被動式柔性外骨骼，控制方面不使用額外的子器件或傳感器等，而是基于與步態相協同的機械結構控制方式，通過步態的周期性變化對外骨骼關節進行鎖定與解鎖，其關鍵控制節點主要集中在支撐相階段。在步態周期的不同階段，外骨骼的狀態如下。

第一，支撐相開始：足部觸地，隨著大腿繞膝關節繼續前擺，膝關節自然伸展角度達到最大值，并且足部觸地位置逐漸過渡到前腳。

第二，支撐相前期：膝關節伸展至最大角度，外骨骼在跖骨間關節的觸頭由于前腳的觸地而向上運動，通過足部的行程放大結構，向上使外骨骼關節的插頭與插齒結合，鎖定外骨骼關節，鎖定的意義是使外骨骼關節近端與遠端的彈性桿件不發生相對轉動。

第三，支撐相中期：人體膝關節自然彎曲，膝角變小，髖關節向前向下運動，彈性桿件彎曲儲能。

第四，支撐相后期：髖關節向上運動，膝關節角度變大，足部由腳跟至腳掌逐漸離地，此時由于足部前掌仍然觸地，外骨骼關節仍處于鎖定狀態，這一時期外骨骼彈性桿件釋能。

第五，支撐相結束：前腳掌離地，外骨骼位于跖骨間關節的觸頭脫出，外骨骼關節的插頭與插齒分離，外骨骼解鎖，解鎖的同時伴隨著釋能階段的結束。

第六，擺動相階段：由于足部懸空，外骨骼關節處于解鎖狀態，外骨骼隨自然步態擺動。

4 膝關節助力外骨骼造型設計

4.1 草圖方案

外骨骼的外觀設計應該基于用戶體驗，以確保用戶在使用外骨骼時感到舒適、自信和自然。外骨骼外觀設計應遵循以下基本原則。

第一，人性化：外骨骼設計應該盡可能地融入人體工程學原理，符合人體結構、比例和運動規律，使用戶感到舒適自然。

第二，個性化：外骨骼設計應該考慮到用戶的個性化需求，為不同用戶提供不同的外觀和顏色選擇。

第三，安全性：外骨骼的外觀設計應該考慮到使用時的安全性，避免突出的零部件可能造成的危險。

第四，易理解：外骨骼的外觀應該簡單明了，使用戶容易理解和使用。

第五，輕量化：外骨骼的外觀設計應該盡可能輕盈、緊湊，減少不必要的材料和零件，提高外骨骼的便攜性和舒適度。

第六，美觀性：外骨骼的外觀設計應該考慮到美觀性，讓用戶感到自信和舒適，從而更愿意使用。

基于以上原則進行外骨骼造型方案設計（見圖1）。

方案一：本方案造型以外骨骼產品功能為核心，去除多余造型元素，使產品盡可能簡化和易于理解。產品造型主要分為三個部分，分別是身體附著部件外觀設計、外骨骼關節外觀設計以及足端固定部件造型設計。承受載荷的關節部件和連接部件采用鈑金折彎加工方法，彈性桿為玻璃纖維桿切割加工，彈性桿近端和遠端連接部件為塑料件，大腿腿套為透氣硬質海綿，綁帶為尼龍材料。本方案造型簡約，功能結構顯化，易于用戶理解，重量較輕。

方案二：本方案是對方案一的造型優化及結構加固。在大腿附著固定處，增大固定塑料板件的面積，使固定更為穩定。另外，去除方案一中大腿近端的軸承座，以降低產品重量。通過外骨骼關節造型的進一步優化，削弱產品的機械感和工具感，通過整體化外觀增強外骨骼關節造型的產品感。同時，對玻璃纖維桿近端和遠端的連接件形狀進行優化，提高其結構強度。

方案三：本方案外觀造型在造型語義上多采用曲線，凸顯外骨骼產品的運動輔具屬性，拉近與用戶的距離，整體結構緊湊，造型美觀。相較于前兩個方案，對外骨骼關節中的結構部件進行造型優化，進一步消除機械感。另外，改進近端和遠端的固定部件，近端增大與腿套連接的塑料板件的面積，對腿部固定件設計鏤空造型，減輕產品重量并強化產品造型屬性。足底部件減少體積，優化綁帶固定位置，增強用戶足部與外骨骼的連接穩定性。

基于整體外觀造型和穿戴體驗對上述三個方案進行評估，方案三造型更符合本外骨骼的產品定位，在造型美觀性和穿戴舒適性上具有優勢，因此對方案三進行結構優化和造型細化。

圖1 產品方案草圖及產品效果圖

4.2 三維建模及渲染方案

外骨骼產品主要由四個部分組成，分別為位于髖關節下方的近端固定部件、外骨骼關節、足底遠端固定部件以及彈性玻纖桿。考慮到用戶需求，為了實現輕量化的產品設計目標，盡可能減少金屬件的使用，在必要的受力金屬件上使用輕質鋁材料。塑料部件使用“PLA+碳纖維”的復合材料，提高材料的強度，使產品塑料件能夠承受長期大量的彎折受力。在穿戴便捷性方面，用戶可以根據身高體型及需求的不同，更換不同長度和直徑的玻璃纖維彈性桿，安裝快速便捷。為了盡可能減少用戶穿戴的步驟，產品綁帶采用魔術貼粘帶，方便用戶快速穿脫外骨骼。

從產品美觀性來看，產品整體造型簡約，語義清晰，功能區塊明確。配色方面，本產品采用黑色和綠色，黑色作為產品的主體顏色，中性沉穩，增強產品的一體性，同時在視覺上弱化產品的體積感。少量的綠色可以增強產品的運動屬性，給人帶來健康的心理感受。另外，綠色可以為產品帶來環保、輕量的視覺感受。

5 結語

外骨骼作為人體運動的輔助工具，是人體關節骨骼和肌肉的延伸，也是人體能力的拓展。隨著外骨骼相關理論和設計的發展及相關產品的不斷普及，外骨骼產品不再只是病患的康復器械，擁有運動能力的人群同樣需要外骨骼來輔助運動，增強運動能力或提供運動防護。基于跑步步態特征的外骨骼產品設計可以拓展外骨骼產品的應用場景，同時對提高被動式外骨骼的人機運動協同性有很大益處。本研究為外骨骼產品的設計提供了思路與方向，具有一定參考意義。

參考文獻：

［1］ 邢嗣威，金信琴.人機工程學在老年人助行器中的應用［J］.設計，2018（3）：113-114.

［2］ 國家技術監督局.中國成年人人體尺寸：GB/T 10000—1988［S］.北京：中國標準出版社，1989：1-17.

［3］ 崔旭艷，任占兵.跑步速度對中長跑運動員步態的影響研究［J］.沈陽體育學院學報，2014，33（3）：122-126.

［4］ 牛忠旺，曹麗麗，李其朋.玻璃纖維增強復合材料的應用及研究現狀［J］.塑料工業，2021，49（S1）：9-17.

作者簡介：張凡煦（1998—），男，山東濟寧人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：工業設計與產品戰略。

曹恩國（1983—），男，河北秦皇島人，博士，副教授，研究方向：工業設計與交互設計。