基于用戶體驗的下肢助力外骨骼設計

徐祺 曹恩國 武小玲

關鍵詞：用戶體驗 外骨骼 產品設計 下肢助力 用戶研究

引言

徒步運動成為近年來的熱門運動項目，越來越多的人們參與到該運動中來，但高強度和長時間運動容易因運動疲勞而造成肌肉損傷。國內外有很多針對徒步運動傷害的研究，其中多為研究長途步行造成肌肉骨骼損傷和代謝傷害的生理原因以及受傷后人體的緊急處理措施或傷后治療等，但針對徒步損傷物理預防的研究是稀缺的。隨著科學技術的發展，助力外骨骼進入人們的視野，用被動式助力外骨骼來緩解長途徒步運動傷害成為了一種新的研究思路。

一、用戶體驗概述

基于用戶體驗的設計，應當深入了解目標用戶其行為，生理以及心理訴求。[1]設計師需要總結出目標用戶的一般特征。了解目標用戶的年齡區間，以便推斷出目標用戶的身體素質情況；了解目標用戶的職業，從而知道目標用戶的大致生活規律及其生活特點；了解用戶的文化背景，教育背景，品牌喜好等，通過這些信息推斷出目標用戶對產品設計審美層面的偏好。基于用戶體驗的設計，即以用戶的體驗為中心進行設計，關注到用戶在使用產品的整個旅程中的心理變化，感受變化，行為變化，找到旅程中的痛點與可切入點，用設計解決用戶的需求。[2]

二、用戶行為特征分析

（一）目標用戶特征分析

1.身體狀態：目標用戶皆為18歲以上的成年人，因此具有一定的運動能力，在生理上沒有殘缺，不需要外接設備去進行太多的助力干預。用戶群體主要以男性為主，他們需要兼顧工作與家庭生活，不常運動，大量運動會感到疲憊，且隨著年齡的增長身體素質會下降。對于此類人而言，進行適當的運動是可取的，但在進行高強度運動時，應注意保護自己的下肢，以免受到運動損傷。

2.心理狀態：下肢助力外骨骼的目標用戶，希望通過外骨骼輔助自己進行高強度的運動，避免運動損傷。在一般人看來使用助力外骨骼的人身體有殘缺，但實際上被動助力外骨骼是輔助型的外骨骼，不代表使用者身體有殘缺。如果使用外骨骼讓其他人對他們過度關注，會造成他們情感上的不適與壓抑。

3.運動特征：目標用戶運動強度中等偏高，需要進行持續的運動輸出，且中途不易退出。運動時間一般較長，至少2～3個小時，至多能達到8～10小時，此類人群一般有較好的身體素質，前期憑借自身的體能完成任務，但容易在運動的后段耐力不足，體力不支，產生肌肉疲勞。用戶本身進行的運動強度較大，因此盡量不要讓外骨骼產品成為他們的額外負擔，在設計上應盡量減少產品的重量，以輕便方便攜帶為主。

（二）目標用戶行為分析

如圖1所示，對用戶運動流程進行梳理，得出用戶旅程圖。在此途中徒步運動，都統稱為運動。準備運動階段，即在運動之前準備行李物品的階段，此階段用戶并沒有開始進行運動，因此對旅程是充滿期待的，但也會有些許擔心運動后期體力跟不上。運動前階段用戶希望攜帶物品盡量輕便，不要給身體造成太大的負擔。接下來是開始運動階段，在此階段用戶精力充沛，感到整體感覺比較輕松。運動前期階段用戶依然可以正常完成運動任務，運動目標感覺良好，但內心并不能確定是否可以堅持到最后。運動中期用戶步伐變得稍微慢一些，但依然能跟得上整體運動的節奏，有些疲憊感，下肢在做抬升運動時明顯變得費力。到運動后期用戶需要進行簡單的休息才可以繼續運動，明顯感覺到小腿酸痛，體力有些跟不上，希望能夠得到休息后再繼續前進。結束運動后用戶的狀態明顯十分疲憊，會對酸痛部位進行按摩，小腿和膝蓋部分有些酸痛。

從用戶行為旅程圖中可以分析出用戶的痛點，前期集中在出行要準備的東西多，且比較重。運動中后期痛點主要集中在用戶會感到疲憊，希望能夠得到支撐或助力。從用戶運動流程以及用戶痛點可以歸納出用戶需求，用戶希望有一個輕便的助力工具，方便穿戴，操作簡單，穿戴舒適，能夠有效助力，方便脫卸。[3]

將外骨骼的使用流程與用戶運動旅程各階段相結合得到穿戴助力外骨骼在運動各個階段的交互點，在切入外骨骼使用流程以后，通過分析可將用戶需求轉化為產品需求，總結得出產品需要輕便穿戴，高效助力，造型契合場景，穿戴舒適，脫卸便捷。

（三）目標用戶需求層次分析

情感體驗是用戶體驗中不可或缺的一部分，之所以要關注情感體驗，是因為用戶是產品設計的中心。在唐納德·諾曼的《情感化設計》一書中提出了情感化設計的三個層次，分別為本能層，行為層和反思層。[4]在每個情感化層次中都對應著相應的情感化需求。本節主要討論在下肢助力外骨骼的設計中，用戶在這三個層次中的需求。

1.本能層需求分析：本能層所描述的是用戶在看到產品時或使用產品時的第一感覺。本能層的需求也就是最直觀的用戶需求，即用戶在第一眼看到產品時所產生的視覺感官。這一層次的體驗直接與產品的色彩造型息息相關，用戶希望能對產品一見鐘情。

2.行為層需求分析：行為層更關注的是用戶的使用體驗。下肢助力外骨骼產品而言，其穿戴的便捷度，穿上的舒適度以及脫卸的效率等都可以成為影響使用體驗的關鍵因素。行為層顧名思義是與用戶的行為息息相關，在這一層面要求產品易于學習，易于理解，易于掌握，在外觀的設計上，產品能夠通過造型語言來表達產品意圖，在操作性上表現為用戶操作界面友好，能適應不同的環境，能兼容不同身體特征的用戶。

3.反思層需求分析：從要求產品不僅在外觀上能使用戶感到愉悅，在行為層面能使用戶感到其作用，更在精神層面上與用戶一定的慰藉。在這一層面上要求產品是符合人機關系的，可靠的安全的，這樣才能夠讓用戶更加信任產品，從而依賴產品。在反思層面也需要產品消除醫療感，以防用戶產生自卑消極的情緒。用戶希望在使用產品時感受到產品是可靠的、酷的、別具一格的，能在使用過程中得到情感尊重與價值肯定。

三、基于用戶體驗的外骨骼產品設計定位

（一）整體設計定位

本產品的人群定位為徒步運動愛好者，他們處于18～40歲之間，有相對較好的體力，能進行一定強度的運動。但在長期高強度的運動后期會出現肌肉疲勞從而會導致運動損傷。他們希望能在運動中保存體力，在避免運動損傷的前提下完成運動任務。考慮到此類人群的行為特點，基于目標人群的下肢外骨骼產品設計定位有以下幾點：

1.產品重量輕便：無論是徒步運動行軍還是負重運動的特殊工作者，在運動時都會攜帶一些有重量的行李。在攜帶負重行李的條件下，外骨骼產品也需要盡量減少重量。產品設計中應將一些不必要的結構進行鏤空處理，在材質的選用上盡量采用輕質且強度大的材料。

2.方便穿戴：用戶可以選擇在需要的時候隨時穿戴上助力外骨骼設備。因此在穿戴時可能會處于運動中的場景，那么就要求外骨骼產品必須方便穿戴。尤其是在工作場景中穿戴外骨骼這一動作應盡量快速以免拖后運動任務進程。

3.操作簡單：從結構設計的角度出發，整個產品在穿戴前只需要進行與身體特征適應的尺寸調節，彈性元件長度的調節。在行走助力過程中，只需要按照原有習慣的步態正常行走，即可進行助力。那么在外觀設計優化階段，需盡量保持結構設計的功能性，簡約性，不增加其他復雜的操作。

4.穿戴舒適：作為一個穿戴產品，穿戴的舒適度是評價其設計優劣的重要指標。穿戴舒適設計上，首先要保證結構零件不散亂地裸露在外。在下肢包裹的部分采用柔軟的材質，受力部分盡量使其面積大，以減小局部壓強，以免腿部局部受力過大，產生疼痛感。

5.能夠有效助力：只助力外骨骼是否能夠有效助力是產品設計的關鍵。在前期進行數學模型與動力學仿真分析驗證其有效的前提下，外觀造型設計需考慮到是否能兼容產品結構，外觀與結構不發生沖突，不產生干擾，高效實現助力效果。

6.方便脫卸：用戶在使用完助力外骨骼產品之后，需要能夠快速方便地脫下外骨骼并且收納好。因此要求產品脫卸與穿戴一樣簡單快捷。

7.造型消除醫療感：從用戶心理感受出發，要求下肢外骨骼造型設計，能夠消除醫療感，避免用戶產生消極壓抑的情緒，在設計產品外觀造型時，盡量將設計語言定義為酷的，使用的，可靠的。讓用戶在使用產品時產生積極向上的正面情緒，避免因為產品的造型語義偏差被身邊其他人理解為殘障人士。

（二）造型定位

助力外骨骼的設計，旨在為長時間徒步行走的人提供下肢助力。需要在造型上考慮到安全性，利用性，舒適性以及情感化。

1.安全性：下肢助力外骨骼的使用環境戶外，因此產品的安全性將是重要考慮因素。在造型設計上應盡量避免尖銳的角，保證下肢外骨骼與人體的接觸面足夠大，避免產生過大壓強。

2.易用性：大多數人對外骨骼的使用方式都感到陌生，因此我們需要采取最簡單的設計方式，讓用戶更容易理解外骨骼如何使用。使用時，最頻繁的操作是穿脫外骨骼。在綁帶設計上可采用魔術貼的方式，能夠快速將外骨骼與人體大腿綁定。

3.舒適性：外骨骼的內飾與舒適性息息相關，需采用柔軟的材質，在設計上也需要考慮材質之間的結合與搭配。本設計擬考慮采用泡沫材料制作產品的內襯，外部包裹其他布料。內飾放置在骨骼與大腿中間，增加產品的舒適度。

4.情感化：造型設計需考慮情感化，助力外骨骼在運動場景中使用，在造型設計上需要更加沉穩，更多速度感，力量感，不宜采用過于圓潤的線條造型語言。

（三）色彩定位

在產品設計中色彩表達了不同的情感，是最直接的視覺沖擊，除了審美需求，色彩設計還需滿足產品的功能需求，協調需求，環境需求。

1.色彩的功能性：除了能帶來最為直觀的審美特征，同時存在功能性，例如設備的急停開關就必須采用紅色。紅色鮮艷，主體鮮明，能讓人聯想到緊急、刺激、強烈等詞匯。助力外骨骼的設計時，可參考運動設備的配色，讓產品更有活力。

2.色彩的協調性：觀看到產品的色彩時，應產生快樂愉悅的感覺，色彩搭配與整體造型設計需協調統一，不應有違和感。

3.色彩的環境適配度：戶外使用的產品往往會面對相對惡劣的環境，因此不宜采用淺色系配色，低飽和度，低明度配色會讓人感到產品更耐臟耐磨。

（四）材質及表面處理

產品材料的選擇不僅與產品的功能要求有關，還影響著產品外觀，舒適度，安全性，制造成本等，不同的材料使用，會給用戶帶來不同的視覺感受和審美感受，材料的加工制作方式甚至可以影響用戶使用產品的效率。

1.材質選擇與產品外觀：不同材質所表現出來的肌理質感，加工方式，表面處理方式都有所不同，這些直接影響到產品外觀設計的表達。在外骨骼產品造型設計上，可采用塑料材質與金屬材質或碳纖維結合的方式，受力部位采用金屬材質，非主要受力部位采用塑料材質或碳纖維進行造型點綴。

2.材料選擇與產品舒適度：外骨骼包裹部位的材料需選擇親膚，柔軟，透氣的材料，需有一定厚度，減少外骨骼對腿部作用的壓力。綁縛材料也需要柔軟，以免勒傷用戶，需要易于綁縛和解綁。在設計產品時還應充分考慮材料的環保性，選擇低污染甚至無污染，可降解，可回收再利用的材料，充分考慮環境因素，遵守綠色設計原則，是每個設計者的責任。

3.材料選擇與產品的安全性：材料需要能夠承受外部施加的力，以及來自環境的破環。除材料需要承受外部力量外，還需要考慮材料對人體的安全性。

4.材料選擇與產品加工成本：在原型試制的時候，需盡量減少投入成本，設計時需盡量采用經濟的材料，若產品局部對材料要求很大，則可考慮局部特殊處理。

四、基于用戶體驗的下肢助力外骨骼設計實踐

（一）人機交互分析

1.人體尺寸特征適配：下肢助力外骨骼以綁縛的形式穿戴在人體下肢，需要考慮適應人體尺度。良好的適配度能帶給用戶更佳的穿戴體驗。產品需要能夠調節大小腿長度尺寸，可根據人自身的腿圍來調節包裹部件。綁縛程度以及舒適度也需要根據自身狀況來進行調節，使外骨骼穿戴時能夠呈現出最佳的狀態。

2.人體運動特征適配：除了要考慮人體在穿戴助力外骨骼的靜態舒適度之外，需要考慮用戶在運動時外骨骼是否會阻礙人體一般運動，因此外骨骼適配人體動態舒適度十分重要。

（1）關節位置適配：在人體動態運動時，人體與外骨骼關節位置盡量要保持一致，否則會在運動時導致關節匹配錯位，輕則影響外骨骼助力效果，嚴重時甚至會干擾用戶運動，導致危險發生。

（2）動態尺寸適配：外骨骼設計能在理論上滿足人體運動范圍，但在具體的設計中需要考慮到動態尺寸的適配。外骨骼活動關節的夾角需滿足大于人體正常運動時關節所產生的角度，防止人體在運動時被外骨骼機械束縛住，無法進行正常的伸展。

（3）多運動狀態適配：人體運動有多種狀態，簡單概括為行走、跑步、蹲起、上下樓梯四種運動狀態，人體運動環境復雜，動作多變，人與人之間的運動姿勢也不盡相同，因此提高系統的相容性，是外骨骼設計的重點與難點。

3.人機交互清晰簡潔：在進行人機交互時，用戶需要很明了地知道產品的每一個部分的用法，造型語言需要有所指示性，能讓用戶易理解，好操作。在穿戴過程中，用戶與外骨骼產生最多的交互過程是在穿戴和脫卸外骨骼時。友好的交互方式，可以減少用戶的學習成本，避免用戶產生畏難和沮喪的情緒，提高產品的用戶體驗感受。

（二）人機尺寸分析

在設計下肢外骨骼機器人，人體的基本尺寸需要考慮在內，由于本研究是針對下肢外骨骼的設計，因此了解人體大腿長，小腿長，以及足部長度是有必要的。[5]參考國標成年男性女性人體尺寸對照表，如表1、表2，可得到人體尺寸P1，P5，P10，P50，P90，P95，P99的4個百分位數據。[6]

外骨骼的設計尺寸與人體基本尺寸息息相關，因此考慮到需適合大多數人使用，選取人體尺寸表格內90百分位到99百分位之間的數據作為參考。[7]

通過對人體下肢關節運動的自由度，動作，角度范圍研究，如表3，可以外骨骼與人體適應性的設計作出參考。

外骨骼小腿連桿上下端分別連接大腿連桿與足底零件，對于身高在1.55 - 1.85米之間的用戶是可調節的，小腿部分是整個助力外骨骼腿的支架，其他零部件是以小腿骨支架作為支撐，裝配成為一個整體。保證小腿干可調節位移為 60mm，保證身高在 155cm 和 185cm之間的人舒適穿戴。

（三）下肢助力外骨骼造型設計

1.方案草圖：在正常步態下，人體下肢與地面的接觸過程可分為著地階段，直立階段、離地階段。在著地階段，下肢著地彈性元件處于原長狀態，經過直立階段到達離地前階段這一過程中，人體的動能與重力勢能逐步轉化為彈性勢能壓縮彈性元件。在離地階段，彈性元件釋放彈性勢為人體向上與向前運動提供動力。人體負重越大、速度越高，彈性腿系統儲存和釋放的能量越多。基于以上助力原理，以用戶體驗為指導，設計了三個下肢助力外骨骼方案，如圖2。

方案一：本方案采用了F形的造型語義，大腿部分采用了一個正向的F形，而小腿包裹部分采用了一個倒放的F形狀。主體骨架采用鋁合金材質，綁帶采用尼龍魔術貼，旋轉處用塑料件包裹軸承，足底部件采用鋁合金材質，運用切割和折彎技術加工。彈性元件使用橡皮筋，通過橡皮筋的伸縮來實現儲能和釋能。本方案在造型上有創意性的突破，能帶給人較為舒適的感官效果。但方案中小腿部分綁帶在腿后部，在穿戴時效率低下，不利于腿部放置。大腿部分鋁合金材質，整體面積較小，可能會對腿部造成過大的壓力。

方案二：本方案在方案一的基礎上做了一些調整。小腿部分的包裹件放置在小腿后部，綁帶放置在小腿前部，更加方便用戶穿戴。將大腿的包裹部件加寬，增大接觸面積，以減少對腿部的壓力。同時為了減輕大腿與小腿部分的重量，采用了鏤空的形式。大小腿包裹部分采用塑料材質，與鋁合金相比更加柔軟，可塑性更強。并且大腿部分可拆卸，可以根據用戶的腿圍自行選擇尺寸合適的大腿包裹零件。小腿部分采用了可調節的方式根據不同人體小腿長度進行自適應調節。

方案三：本方案在大腿與小腿包裹處采用了軟質塑料的材質，更加柔軟，穿戴舒適性更強。采用了大面積包裹的形式，能更大限度地減少對腿部的壓力。綁帶部分依然采用尼龍魔術貼，穿戴效率高。本方案的缺點在于大面積采用軟質塑料材質形成包裹，在視覺上會顯得臃腫，造型語言較為普通，沒有特別的創新之處，與市面上現有的醫療產品相類似。

對以上三個方案進行綜合評估，方案二在視覺體驗以及穿戴體驗上都有明顯優勢，故對方案二進行深入優化。

2.三維建模及渲染方案：如圖3、4、5方案整體分為三個部分，第一部分是大腿及膝關節零部件，第二部分為小腿零件，第三部分為足底零件。

從用戶體驗舒適性考慮：

大腿包裹零件內側采用了軟質PVC材料，大腿與外骨骼接觸時更加舒適柔軟。為適應不同腿圍用戶，將大腿包裹零件設計成可拆卸部件，用戶可挑選適合自己的尺寸安裝。小腿部分采用可快速調節結構，方便用戶進行個性化尺寸調節，讓外骨骼與自身形成最佳適配。

從用戶體驗操作便捷性考慮：

將綁帶設置于大小腿前部，方便快速穿脫外骨骼。

從用戶體驗審美感受考慮：

如圖6方案采用橙色與黑色的配色方案，避免產品有醫療感，給用戶帶來心理上的不適。橙色小面積點綴賦予產品更多運動感與活力感，黑色作為外骨骼主體顏色為產品增加沉穩可靠感。造型語言上采用F的形態，給予產品更多流暢的動感。

產品細節優化，提升用戶體驗：

小腿長度調節部分，采用了快捷按鍵，方便用戶無工具調節，用戶可按住調節按鈕拉伸小腿零部件長度對其進行調節。為適應不同腿圍的用戶，將大腿零件設計成可拆卸方式，設計不同尺寸的大腿包裹部件，可按需更換使用。如圖7。大腿及小腿包裹部分采用了鏤空的形式，主體采用碳纖維材質，在保證強度的前提下，減輕產品重量；針對裸露的零件，設計了橙色外殼，使產品整體感更強，用戶不會被裸露的零件干擾。

結論

助力外骨骼產品為功能性產品，其最重要的是助力功效，設計師在設計助力外骨骼時，將重點放在助力原理及其效果上，往往忽略了外骨骼產品的用戶體驗。但用戶體驗直接與產品的使用效率和用戶使用意愿度相關。因此設計師需基于用戶體驗對外骨骼產品進行設計。設計需滿足用戶的使用舒適體驗與情感舒適體驗，首先需要確定目標用戶，分析用戶人群特征與行為特征，復現用戶使用產品時的體驗路徑，了解用戶體驗需求。在調研分析的基礎上對外骨骼產品進行設計定位，根據設計定位展開設計實踐。本設計流程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。