用于下肢輔助行走的外骨骼產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究*

朱 瑤，鐘安棋，阮琪暉，李 享，鄧祥龍，張 紅

(長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

0 引言

2021年第七次全國人口普查數(shù)據(jù)表明：截至2020年底，60歲及以上人口占中國人口總數(shù)的18.70%，比2010年人口普查結(jié)果增長(zhǎng)了5.44%，老齡化程度加深[1]。老年人在年齡增長(zhǎng)的同時(shí)，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(dāng)今提倡健康中國的社會(huì)背景下，對(duì)用于輔助下肢行走的產(chǎn)品進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)下肢殘障人士獨(dú)立生活的需求，能夠有效減輕家庭及社會(huì)保障的壓力[2]。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)趨于智能化、人性化，綜合機(jī)械設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)等多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)的外骨骼助行產(chǎn)品研發(fā)越發(fā)成熟，全球外骨骼市場(chǎng)規(guī)模在2020年達(dá)到了360百萬美元[3]，可見提升外骨骼產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值極有利于國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 外骨骼產(chǎn)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(duì)穿戴者下肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)助力的仿生機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)穿戴者負(fù)重行走運(yùn)動(dòng)，也可用于助老助殘”。國內(nèi)外外骨骼產(chǎn)品如表1所示，在國外，美國和日本的外骨骼研發(fā)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(chǎn)品已經(jīng)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(shù)研究，如韓國的GEMS-L外骨骼、歐盟研發(fā)的Mind Walker外骨骼等。在國內(nèi)，外骨骼的研究起步相對(duì)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(gè)實(shí)現(xiàn)落地并大批量生產(chǎn)的外骨骼產(chǎn)品。但當(dāng)前各國對(duì)于外骨骼設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)為結(jié)合柔性材料、傳感系統(tǒng)等技術(shù)改善外骨骼的人機(jī)協(xié)調(diào)問題，其他方面仍存在一定不足，如外觀機(jī)械化、價(jià)格昂貴等，以至于外骨骼產(chǎn)品在市場(chǎng)、用戶中普及還存在較大的局限性[5]。

表1 國內(nèi)外外骨骼產(chǎn)品

2 用戶特征及需求分析

當(dāng)前用于下肢助力的外骨骼產(chǎn)品市場(chǎng)的目標(biāo)用戶一般為老年人等下肢行動(dòng)不便的殘障人群。結(jié)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(dǎo)致活動(dòng)受限、社交受阻的弱勢(shì)人群，這類人群由于下肢功能存在一定障礙甚至缺失，行動(dòng)能力不足，生活中通常需要借助下肢輔助產(chǎn)品；并且他們?cè)谧约好鎸?duì)行動(dòng)受限甚至無法獨(dú)立正常生活時(shí)，會(huì)感到自卑、焦慮，同時(shí)自尊心更強(qiáng)。根據(jù)該生理及心理特征，并通過馬斯洛需求理論分析，總結(jié)出以下幾點(diǎn)：①外骨骼產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)注重造型美化、簡(jiǎn)化操作方式，選擇合適材料以滿足其生理需求；②保證質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全，以滿足其安全需求；③提高人機(jī)交互能力，以滿足其社交需求；④增強(qiáng)用戶使用信心、保護(hù)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(shí)現(xiàn)需求。從用戶的生理及心理特征需求出發(fā)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，能夠有效提升產(chǎn)品的實(shí)用性以及用戶對(duì)產(chǎn)品的滿意度[7]。

3 外骨骼產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路

3.1 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品功能可以將外骨骼產(chǎn)品分為主動(dòng)助力式和被動(dòng)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(dòng)助力式外骨骼產(chǎn)品以電機(jī)作為動(dòng)力源，為下肢關(guān)節(jié)提供行動(dòng)所需能量；而被動(dòng)牽引式外骨骼產(chǎn)品是通過其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)將使用者行走所需的部分力量轉(zhuǎn)化為下肢邁步所需的力量[8]。通過文獻(xiàn)分析等前期調(diào)研得出，當(dāng)前外骨骼產(chǎn)品主要以用戶為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能滿足用戶需求。如圖1所示，其基本功能結(jié)構(gòu)為：①信號(hào)傳感器收集肌電信號(hào)和腦電信號(hào)，通過傳遞激活用戶信息，由控制裝置控制產(chǎn)品動(dòng)力裝置啟停；②下肢穿戴可調(diào)節(jié)骨架高度、圍度的外骨骼產(chǎn)品，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)作實(shí)現(xiàn)下肢可獨(dú)立行走；③通過動(dòng)力源轉(zhuǎn)換能量傳遞至相關(guān)裝置，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品正常工作。

圖1 外骨骼產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外骨骼產(chǎn)品主要由骨架內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐其整體及執(zhí)行功能，根據(jù)人機(jī)匹配性原則，該結(jié)構(gòu)應(yīng)參考人體下肢結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。人的下肢行動(dòng)主要依賴于髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、踝關(guān)節(jié)的配合運(yùn)動(dòng)，故目前外骨骼產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)一般包括髖關(guān)節(jié)固定結(jié)構(gòu)、大腿肌肉包裹部分、膝關(guān)節(jié)換向及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、小腿肌肉包裹部分、踝關(guān)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等部分。另外，在進(jìn)行適應(yīng)人體關(guān)節(jié)的外骨骼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(chǎn)品使用舒適度等，在各肌肉包裹部分長(zhǎng)度、腿圍等設(shè)計(jì)點(diǎn)增加可調(diào)節(jié)伸縮裝置以增強(qiáng)產(chǎn)品的實(shí)用性和普適性[9]。

3.3 造型設(shè)計(jì)

通過結(jié)合當(dāng)前多種外骨骼產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究進(jìn)行分析，針對(duì)下肢殘障人群進(jìn)行外骨骼產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以殘障人群的生理及心理特征、外骨骼產(chǎn)品的使用舒適度及安全性、產(chǎn)品與人體的協(xié)調(diào)性等為設(shè)計(jì)依據(jù)，參照多數(shù)使用者的下肢形態(tài)特征進(jìn)行造型仿生，通過與人體下肢相貼合的弧線及曲面設(shè)計(jì)柔化產(chǎn)品風(fēng)格，避免過多直線或平面的使用以造成產(chǎn)品外觀偏向機(jī)械化；產(chǎn)品色彩設(shè)計(jì)應(yīng)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(wěn)定的色彩作為主色調(diào)，同時(shí)可以采用醒目的紅、黃色等作為點(diǎn)綴以增強(qiáng)警示作用[10]。

3.4 材質(zhì)設(shè)計(jì)

材質(zhì)是影響外骨骼產(chǎn)品整體質(zhì)量和使用性能的主要因素[11]，在設(shè)計(jì)過程中，外骨骼產(chǎn)品中起受力支撐作用的主體部分應(yīng)采用高強(qiáng)度、質(zhì)地偏硬的材料；關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)折部分應(yīng)采用耐磨性較好的材料，同時(shí)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(zhì)中進(jìn)行挑選時(shí)應(yīng)盡量選用同等強(qiáng)度下質(zhì)輕的材料，以解決當(dāng)前多數(shù)外骨骼產(chǎn)品過于笨重的問題，特別是新技術(shù)與新材料出現(xiàn)后，超輕材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[12]。

4 結(jié)語

當(dāng)前外骨骼產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程已趨于系統(tǒng)化，但隨著老年人及殘疾人等人群比例的上升，國家對(duì)養(yǎng)老助殘行業(yè)的政策支持力度加大，國內(nèi)骨骼產(chǎn)品發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)增多且受到國外外骨骼產(chǎn)品偏技術(shù)研發(fā)的沖擊，在保證功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，除關(guān)鍵技術(shù)外，創(chuàng)新性、易用性、人機(jī)協(xié)調(diào)性、安全性等共性應(yīng)為我國外骨骼產(chǎn)品未來設(shè)計(jì)的重心。首先需要研發(fā)者對(duì)下肢殘障人群能夠充分了解，其次在產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)、造型、材質(zhì)、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(duì)其進(jìn)行完善設(shè)計(jì)。本文根據(jù)調(diào)研分析提出的外骨骼產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路對(duì)解決現(xiàn)行產(chǎn)品造型機(jī)械化、普適性差、人機(jī)匹配度低等問題有一定幫助，可為外骨骼產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。