下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)分析

王年文+朱亦吳+姜文博+畢翼飛

摘 要：隨著醫(yī)療康復(fù)市場(chǎng)的擴(kuò)大，越來越多的外骨骼機(jī)器人應(yīng)用于醫(yī)療與日常生活中。下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人可以對(duì)諸如脊髓損傷患者、截癱病發(fā)患者、殘疾人、中老年人等行走不便者輔助行走進(jìn)行有效的治療和預(yù)防。為了提高其設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，規(guī)范其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，分別從人體下肢骨結(jié)構(gòu)和自由度，步態(tài)周期及髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髁關(guān)節(jié)的角度變化，對(duì)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行了分析，結(jié)合人機(jī)數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出了在進(jìn)行下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的安全性、穿戴性、舒適性和可調(diào)節(jié)性。

關(guān)鍵詞：下肢外骨骼；康復(fù)運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人；人機(jī)交互系統(tǒng)；設(shè)計(jì)原則

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.085

外骨骼機(jī)器人起源于上世紀(jì)60年代，最初的成品是美國的哈德曼助力機(jī)器人，近年來伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，逐漸運(yùn)用于軍事、醫(yī)療、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。在國外，由日本筑波大學(xué)研發(fā)的外骨骼機(jī)器人HAL3，以色列的“外骨骼”助力裝置ReWalk ，還有美國的BLEEX低位肢體外骨骼等，都是外骨骼機(jī)器人的典型代表。最初外骨骼機(jī)器人常用于軍事領(lǐng)域，近年來，隨著醫(yī)療康復(fù)市場(chǎng)的擴(kuò)大，越來越多的外骨骼機(jī)器人應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，帶來了巨大的市場(chǎng)價(jià)值和社會(huì)效應(yīng)。它不光可以對(duì)諸如脊髓損傷患者進(jìn)行有效的治療，預(yù)防截癱的病發(fā)，也可以為殘疾人、中老年人等行走不便者輔助行走。那么從工業(yè)設(shè)計(jì)角度來看，合理處理好患者與機(jī)器，以及環(huán)境之間的人機(jī)關(guān)系，對(duì)進(jìn)行下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)是十分重要的。

1 下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的介紹

外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴式機(jī)械操作裝備，它融合了傳感、控制、移動(dòng)計(jì)算等技術(shù)，通過人操作機(jī)器來達(dá)到智力和體力上的完美結(jié)合。我國國內(nèi)引入到臨床應(yīng)用的普遍以牽引式、懸掛式康復(fù)機(jī)器人居多，下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人起步較晚，有足夠的上升空間。它的用戶一般分為兩個(gè)群體：一個(gè)是因?yàn)槭鹿省⑦\(yùn)動(dòng)、老化等原因行走功能已經(jīng)嚴(yán)重受損的人群，這時(shí)外骨骼康復(fù)機(jī)器人是作為長(zhǎng)期使用的輔助步行工具；另外一部分，就是短暫失去行走能力的人群，幫助他們進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練以迅速恢復(fù)健康步行能力。

2 人機(jī)工程學(xué)

人機(jī)工程學(xué)是一門多門學(xué)科相互交叉的邊緣學(xué)科。其研究核心主要由人、機(jī)、環(huán)境三者共同構(gòu)成的人機(jī)交互系統(tǒng)，通過對(duì)人、機(jī)器及環(huán)境三者之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，來指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作，提高作業(yè)上的效率、安全、健康和舒適。

下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人作為一件輔助類康復(fù)產(chǎn)品，患者在使用產(chǎn)品進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)與周邊環(huán)境構(gòu)成了一個(gè)完整的“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)。在進(jìn)行下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)時(shí)，必須要從“人機(jī)交互系統(tǒng)”的角度，圍繞人體的基本素質(zhì)、心理因素和反射因素，機(jī)器的特性、幾何參數(shù)和機(jī)器模型，環(huán)境的作業(yè)特性和特征，人與機(jī)器的動(dòng)作分析、動(dòng)作穩(wěn)定性、動(dòng)作適應(yīng)性和動(dòng)作軌跡，人與環(huán)境的外界條件反射和外部信息，機(jī)器與環(huán)境的作業(yè)空間和儲(chǔ)存環(huán)境等內(nèi)容對(duì)整個(gè)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人所構(gòu)成的“人-機(jī)-環(huán)境”進(jìn)行系統(tǒng)分析。

3 下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人人機(jī)分析

3.1 人體剖析結(jié)構(gòu)

為滿足下肢外骨骼機(jī)器人的安全性、調(diào)節(jié)性與舒適性，外骨骼的結(jié)構(gòu)應(yīng)該依據(jù)仿生學(xué)原理，按照人體下肢結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1所示，在人體解剖學(xué)中，可以將人體在三維空間內(nèi)用三個(gè)相互垂直的基準(zhǔn)軸（矢狀軸，垂直軸，冠狀軸）和三個(gè)基準(zhǔn)面（矢狀面，水平面，冠狀面）來劃分。

3.2 人體下肢骨結(jié)構(gòu)和自由度分析

人的下肢的主要功能支持身體，承受體重和行走，這些運(yùn)動(dòng)是由關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。如圖2左：下肢骨結(jié)構(gòu)圖所示，在下肢骨結(jié)構(gòu)中，髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和髁關(guān)節(jié)作為運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)將其它的骨骼進(jìn)行連接。人的下肢活動(dòng)是依靠這三個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)的，這三個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)又是分別圍繞著相應(yīng)的基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面進(jìn)行的。髖關(guān)節(jié)是一個(gè)具有三個(gè)自由度的球形關(guān)節(jié)，而股骨以髖關(guān)節(jié)為中心圍繞著基準(zhǔn)軸做以下這些自由度運(yùn)動(dòng)：圍繞著冠狀軸做屈/伸運(yùn)動(dòng)，圍繞著矢狀軸做外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，圍繞著垂直軸做內(nèi)旋/外旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從髖關(guān)節(jié)附近的結(jié)構(gòu)來看，髖關(guān)節(jié)的主要自由度還是屈/伸運(yùn)動(dòng)，后兩個(gè)自由度因運(yùn)動(dòng)幅度小，并且考慮到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性，在外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是可以被省略的。膝關(guān)節(jié)由于人體構(gòu)造的限制，在水平面，冠狀面的運(yùn)動(dòng)十分的細(xì)微，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中只考慮在矢狀面內(nèi)進(jìn)行的屈/伸運(yùn)動(dòng)。髁關(guān)節(jié)是人體下肢運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性的重要保證。和髖關(guān)節(jié)一樣，它具有三種自由度運(yùn)動(dòng)：屈/伸運(yùn)動(dòng)，外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，內(nèi)翻/外翻運(yùn)動(dòng)。

如圖2右：自由度剖析圖所示，參考人體下肢骨結(jié)構(gòu)，可以總結(jié)出人的單腿在運(yùn)動(dòng)中需要7個(gè)自由度，并且這些自由度的運(yùn)動(dòng)角度都是有一定限制和范圍的。

3.3 人體步態(tài)分析

那么如何得到人步行時(shí)，這三個(gè)關(guān)節(jié)的角度變化？我們需要對(duì)步行運(yùn)動(dòng)中的步態(tài)周期進(jìn)行分析。人類的行走是一個(gè)通過左右腿交叉搖擺的周期性過程，它是通過肢體運(yùn)動(dòng)并前進(jìn)的一種周期性的形式和現(xiàn)象，行走、奔跑或者移動(dòng)都屬于步態(tài)。

“步態(tài)周期”是指行走過程中一側(cè)足跟著地至該側(cè)足跟再次著地的時(shí)間。一個(gè)步態(tài)周期被分成了兩個(gè)階段，其中足底與地面接觸的階段被稱之為站立相，而腿離地并擺動(dòng)的階段則如圖3所示，人體的步態(tài)周期分為8個(gè)分期：首次著地、承重期（雙支撐期）、站立中期、站立末期、邁步前期、邁步初期、邁步中期和邁步末期。這8個(gè)分期分別屬于雙支撐期和單支撐期，每一個(gè)步行周期中都有雙支撐期，它從單側(cè)足跟著地開始，到對(duì)側(cè)足趾離地結(jié)束，期間雙腿處于和地面接觸的狀態(tài)。而單支撐期則是單腿與地面接觸。如表1所示各關(guān)節(jié)角度變化。

3.4 人體主要尺寸

為了產(chǎn)品的舒適性與可調(diào)節(jié)性，整個(gè)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的尺寸需要參照《中國成年人人體尺寸（GB/T 10000-1988）》。該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分為三個(gè)年齡段的男女，即18歲-25歲（男女），26歲-35歲（男女），36歲-60歲（男）/55歲（女）。

如表2，人體的身高，下肢的長(zhǎng)度是各不相同的，并且個(gè)體在不同年齡段的數(shù)值也是不同的。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須預(yù)留一定的可調(diào)節(jié)性，比如可以通過添加調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

通過上述分析，可以看出合理處理好患者與產(chǎn)品之間的人機(jī)數(shù)據(jù)是十分重要的。我們?cè)谶M(jìn)行下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮產(chǎn)品的安全性、穿戴性、舒適性和調(diào)節(jié)性。盡量減少產(chǎn)品與人體的接觸面，減少產(chǎn)品對(duì)人體的各方面限制，產(chǎn)品不能對(duì)患者脊髓造成二次傷害；方便用戶快速穿戴、脫掉以及更換；產(chǎn)品的使用要符合用戶的舒適度；為方便不同患者，要考慮產(chǎn)品的可調(diào)節(jié)性和可更換性等等。當(dāng)然，具體的設(shè)計(jì)方案和實(shí)施方案還需要根據(jù)力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科進(jìn)行進(jìn)一步的交叉研究。

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