膝關節(jié)康復機器人設計中人體運動的特點及步態(tài)分析

摘 要：膝關節(jié)康復機器人旨在幫助腿部運動障礙人群進行運動助力或者康復治療。由于人體膝關節(jié)運動時不僅是膝關節(jié)自身的運動，還會受到下肢其他關節(jié)運動的影響，因此，在進行設計時必須了解人體下肢運動的特點，并對人體下肢運動進行運動步態(tài)分析，這樣才能設計出更適合人體運動的機構。

關鍵詞：膝關節(jié)；步態(tài)分析；人機工程學

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0014-03

Characteristics and Gait Analysis of Human Motion in

the Design of Knee Rehabilitation Robot

LI Zhongyi

（College of Mechanical Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Knee rehabilitation robot is designed to help disabled people exercise power leg exercise or rehabilitation， and because of human knee joint motion of knee joint is not only the movement itself， is also affected by the other limb joint movement， so the design should understand the characteristics of human lower limb movement， and the lower limb of the human body movement gait analysis. In order to design more suitable for human motion mechanism.

Keywords： knee joint；gait analysis；ergonomics

近年來，隨著人口老齡化的加劇和殘疾人數(shù)量居高不下，助力器械及康復醫(yī)療器械難以滿足客戶日益增長的需求，所以，根據市場需求，研制一款輕量化的膝關節(jié)康復機器人顯得十分必要。在研制膝關節(jié)康復機器人時，首先要對人體正常運動時的步態(tài)進行分析，了解人體運動時膝關節(jié)的運動特性，分配人體下肢運動的自由度及人體下肢運動過程中的各關節(jié)角度變化。并綜合考慮人機工程學的設計原則，為下一步的膝關節(jié)助力機構設計做好前期準備。

1 人體運動的行為特征分析

人體下肢是人體運動的重要部分，其承受著人體的最大重量，支撐著人體移動，在人體結構和運動中占據著重要地位。人體下肢主要由三個關節(jié)組成，即膝關節(jié)、踝關節(jié)和髖關節(jié)。本文最關心的是膝關節(jié)，但膝關節(jié)的運動也會受到踝關節(jié)和髖關節(jié)運動的影響。膝關節(jié)、踝關節(jié)和髖關節(jié)的組成及運動特征如下。

①膝關節(jié)。膝關節(jié)是人體最大且構造最為復雜的關節(jié)之一，其在人體運動中損害受傷的概率也較大。

②踝關節(jié)。踝關節(jié)主要做屈伸運動，此外，還能做內收和外展運動，也能與距下關節(jié)配合，從而使得足部可以進行內翻和外翻。踝關節(jié)類似于球關節(jié)。

③髖關節(jié)。相對于膝關節(jié)來講，髖關節(jié)可以看作一個規(guī)則的球窩關節(jié)。髖關節(jié)可以帶動大腿進行屈伸、內外翻轉等運動，自由度較高。

2 人體正常步態(tài)分析

2.1 下肢運動的重要性

通過治療使患者具有獨立行走的能力是康復治療的主要目標。研究人體下肢步態(tài)，分析和分解其正常情況下的過程，是研究膝關節(jié)康復機器人步態(tài)姿勢的前提和基礎。其中，運用人機工程學原理對人體下肢正常步態(tài)進行分析是必要前提，而對人體下肢正常步態(tài)進行仿生學分析，并對正常步態(tài)進行模擬，得出科學的數(shù)據是膝關節(jié)康復機器人設計與研究的基礎。這樣，可以大大提升膝關節(jié)康復機器人行走時的宜人性、安全性及平衡性。因此，對人體下肢正常步態(tài)進行分析，是膝關節(jié)康復機器人設計的重要依據和必要前提[1]。

2.2 步態(tài)理論分析

下肢步態(tài)行走是周期性運動，研究步態(tài)行走周期的動作，就是把一個單位周期的動作進行拆解分析，如圖1所示。人體左腳接觸地面而右腳尖離開地面的時間，稱為雙側腿支撐期；從右腳尖離開地面到右腳后跟與地面接觸的時間，稱為左側單腿支撐期；從右腳后跟剛落地到左腳尖離開地面的時間，稱為雙側腿支撐期；從左腳尖離開地面到左腳后跟與地面接觸的時間，稱為左側單腿支撐期。從單位周期的步態(tài)分析來看，人體步行運動是具有對稱性的，單側腳的腳后跟從落地至其腳尖離開地面的過程，稱為站立相；單側腳的腳尖離開地面到腳后跟和地面接觸的過程，稱為邁步相，從圖1可以清楚地看到，站立相約占一個單位步態(tài)周期的62%，邁步相約占一個單位步態(tài)周期的38%。

人體下肢運動時，髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)之間相互協(xié)調運動。通過建立簡化模型（見圖2）可以看出，當人體下肢運動時，人體的腰部節(jié)點、臀部節(jié)點、膝蓋節(jié)點、踝關節(jié)節(jié)點和腳趾五個部位分別用五個點來表示，坐標為（Xw，Yw）（Xh，Yh）（Xk，Yk）（Xa，Ya）（Xt，Yt）。通過對下肢五個部位點位置的運算和分析可以得到膝關節(jié)的角度變化情況。

根據臀部節(jié)點和膝蓋節(jié)點坐標位置，可以推算出髖關節(jié)的角度值，公式為：

[θh=arctanxk-xhyk-yh] （1）

式中，[θh]表示髖關節(jié)的角度值。

由膝蓋節(jié)點、踝關節(jié)節(jié)點坐標位置及髖關節(jié)的角度值[θh]可以推算出膝關節(jié)的角度值公式：

[θk=arctanxk-xhyk-yh+θh] （2）

式中，[θk]表示膝關節(jié)的角度值。

3 人機工程學設計原則

在設計產品時，我們不僅要思考“人-產品-環(huán)境”三者之間的內在關系，還要找到其聯(lián)系，并加以合理利用，不僅要使產品的設計更加安全、更加健康、更加舒適，更加符合消費者的生理特征，讓整個系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)，還要在安全性、宜人性、人機交互的設計原則中，找到產品本身“人-產品-環(huán)境”三者之間的平衡。

3.1 安全性

安全性一直是產品設計時的第一使用性能指標，特別是以康復機器人為代表的醫(yī)療器械類產品。為了更好地讓膝關節(jié)助力康復機器人產品服務用戶，在設計時應注意以下幾個原則[2]。

①產品設計的首要原則是產品必須具備安全性。產品運動的范圍必須在人體膝關節(jié)的運動范圍之內，避免因機械機構設計不合理而給使用者帶來身體的危害。

②膝關節(jié)助力康復機器人的目標用戶是腿腳不便的老年人和殘障人士，以及膝關節(jié)需要康復治療的病人。在膝關節(jié)助力康復機器人的設計上，要多采用曲面和弧面元素進行設計，減少突兀元素的出現(xiàn)，更要避免棱角等不安全元素的出現(xiàn)。

③醫(yī)療康復器械需要更多地考慮產品的安全性和舒適性。在進行設計時，要盡量選擇質軟、健康無污染的材料，這樣既可以滿足產品的強度需求，又方便產品清洗、保養(yǎng)和維護[3]。

④人機工程學中產品的設計要使使用者保持心理上的愉悅。所以，膝關節(jié)助力康復機器人的造型和色彩設計也很重要。在設計時，一定要遵循人機工程學原則和事物發(fā)展的規(guī)律，既要滿足使用者的心理需求，又要展現(xiàn)出簡約、時尚和美觀的特點。

3.2 宜人性

在設計膝關節(jié)助力康復機器人時，不僅要滿足其助力行走的功能，更要著重考慮使用者的心理因素和心理暗示，充分考慮產品材料工藝、造型設計和色彩暗示等方面因素，讓使用者提升對膝關節(jié)助力康復機器人的感情，使其在使用產品的同時，對產品本身產生親近感。膝關節(jié)助力康復機器人產品的宜人性具體體現(xiàn)在以下幾方面[4]。

①人體尺寸。人體尺寸的研究主要是為了膝關節(jié)助力康復機器人產品與用戶相接觸的部分，特別是其尺寸和造型要與使用者的身體下肢特征相吻合。

②造型工藝。任何美的產品都要通過相應的工藝來完成生產，產品的最終品質都應與其生產工藝、裝飾工藝和表面處理工藝等密切相關。

③感官體驗。一個產品呈現(xiàn)在消費者面前時，消費者會通過視覺、聽覺和觸覺等多個感官去體驗產品帶來的美好和舒適。

3.3 人機交互

從交互設計的角度來看，醫(yī)療康復器械應使操作盡可能簡化，標識醒目。同時，要采用避免操作失誤或容錯設計的策略，如按鈕過小、按鈕間距不足等。

4 結語

通過對人體下肢運動的行為特征進行分析，了解人體下肢運動的基本特征。通過對膝關節(jié)運動范圍的分析，得出膝關節(jié)助力康復機器人轉動部分的轉動范圍，并根據人體下肢運動時的運動特征得出人體下肢運動時主要關節(jié)的轉動角度。為了更好地適應人體運動，滿足目標客戶對舒適性的要求，對膝關節(jié)助力康復機器人在設計時需要遵循的人機工程學準則進行分析，以滿足目標客戶的心理需求。

參考文獻：

[1]陳成.基于外骨骼的可穿戴式下肢康復機器人結構設計與仿真[D].南京：南京理工大學，2016.

[2]鄭宇飛.基于人機工程學智能輪椅的設計與研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2016.

[3]程超然.基于人機工程學的護理機器人浴艙系統(tǒng)研究[D].洛陽：河南科技大學，2015.

[4]陸劍雄，張福昌，申利民.坐姿與座椅設計的人機工程學探討[J].人類工效學，2005（4）：44-46.