基于CATIA的可穿戴下肢康復(fù)外骨骼人類(lèi)工效學(xué)研究

蘇 晨，張浩然，程 帥

(湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院, 湖北 武漢 430068)

下肢外骨骼設(shè)備是與偏癱患者深度交互的產(chǎn)品，和人體數(shù)據(jù)及人類(lèi)工效學(xué)彼此關(guān)聯(lián)[1-2]。偏癱患者實(shí)施全流程康復(fù)醫(yī)療后，一年之內(nèi)恢復(fù)生理自理能力比重占60%以上[3]。由于偏癱患者早發(fā)性比例逐步增加，輔助醫(yī)療產(chǎn)品確定為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象[4]。由于國(guó)內(nèi)在醫(yī)療外骨骼領(lǐng)域的實(shí)際研究中偏重功能性，造成偏癱患者在康復(fù)訓(xùn)練中負(fù)荷增大，人機(jī)系統(tǒng)對(duì)于改善醫(yī)療質(zhì)量和患者安全至關(guān)重要[5]，據(jù)此提升偏癱患者在應(yīng)用康復(fù)外骨骼設(shè)備時(shí)的舒適度越發(fā)關(guān)鍵。CATIA (computer aided three-dimensional interactive application，計(jì)算機(jī)輔助三維交互應(yīng)用)人類(lèi)工效學(xué)研究整合為4大功能：人體模型構(gòu)建、人體尺寸編輯、人體運(yùn)動(dòng)分析、人體模型體態(tài)評(píng)價(jià)[6]。當(dāng)前關(guān)于應(yīng)用CATIA進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助人類(lèi)工效學(xué)的成果重點(diǎn)集中于交通工具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方向，用以評(píng)估座椅舒適度、視線和肢體可達(dá)性[7-8]。相對(duì)在外骨骼設(shè)備開(kāi)發(fā)方向的運(yùn)用還停頓在依賴(lài)現(xiàn)有數(shù)據(jù)支撐[9-11]，為了解決現(xiàn)有難題，急需引進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助人類(lèi)工效學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)提升該學(xué)科虛擬模型尺寸精度，完善產(chǎn)品人機(jī)系統(tǒng)。

運(yùn)用CATIA人類(lèi)工效學(xué)分析功能，在外骨骼設(shè)備的三維模型中同步加載虛擬人體模型，創(chuàng)建虛擬人機(jī)裝配，參照偏癱患者在應(yīng)用外骨骼設(shè)備時(shí)呈現(xiàn)的身體形態(tài)，作出人類(lèi)工效學(xué)校定和評(píng)估，進(jìn)而在外骨骼設(shè)備開(kāi)發(fā)初期就針對(duì)偏癱患者的動(dòng)作形態(tài)、人機(jī)交互、整機(jī)功能構(gòu)成合理性及穿戴舒適度等進(jìn)行仿真研究，優(yōu)化使用性能，提升外骨骼產(chǎn)品安全、效率和舒適度等功效，使偏癱患者在使用外骨骼設(shè)備時(shí)感覺(jué)舒適。

1 人機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 人體模型的建立

鑒于偏癱患者中男性患病比例高于女性，人體尺寸也較女性更為高大，且大多數(shù)穿戴型外骨骼裝備的舒適度分析都選用第50百分位 (中等體型)人體虛擬模型，以支持90%的適配度，故人機(jī)校定與評(píng)估分析擬選用第50百分位男性虛擬模型作為研究方向。

因CATIA不支持中國(guó)大陸虛擬人體數(shù)據(jù)，通過(guò)比較，中國(guó)臺(tái)灣的虛擬人體尺寸與中國(guó)大陸虛擬人體尺寸最為相似，故在選取中國(guó)臺(tái)灣人體模型基準(zhǔn)上對(duì)照文獻(xiàn)[11]中的現(xiàn)有中國(guó)成年人人體數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)已設(shè)置的三維人體模型，年齡范圍選取36 ～ 60歲，令其精準(zhǔn)度與真實(shí)度符合實(shí)驗(yàn)需求。據(jù)此得到第50百分位的虛擬人體模型 (男性)完整參數(shù)為身高1 692 mm，站立會(huì)陰高度775 mm，站立手部離地高738 mm，站立膝部高為485 mm，站立臀部寬為318 mm等。

1.2 下肢康復(fù)外骨骼人類(lèi)工效學(xué)設(shè)計(jì)

下肢康復(fù)外骨骼人類(lèi)工效學(xué)分析的第1步是將偏癱患者作為研究對(duì)象，建立便于安全操作兼具較高身體適應(yīng)性的完整運(yùn)動(dòng)環(huán)境，使偏癱患者獲取最好的臨床醫(yī)療適應(yīng)性。通過(guò)一系列功能布局和造型相關(guān)研究，得出下肢康復(fù)外骨骼各功能模塊初步方案，如圖1所示。

圖1 外骨骼三維模型Figure 1 Exoskeleton 3D model

依照人體生理結(jié)構(gòu)作出關(guān)節(jié)自由度分析[12]，身體下肢活動(dòng)時(shí)的主動(dòng)關(guān)節(jié)是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)；被動(dòng)關(guān)節(jié)是踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)外展。外骨骼設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中首要對(duì)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)自由度及舒服程度這兩個(gè)核心點(diǎn)進(jìn)行模擬分析。依據(jù)髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)置彎曲、屈展、旋轉(zhuǎn)3個(gè)自由度；膝關(guān)節(jié)設(shè)置屈展一個(gè)自由度；踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)協(xié)作運(yùn)行，設(shè)置屈展、旋轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度[13]。

下肢康復(fù)外骨骼設(shè)備關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌道采納模仿人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)限位裝置。外骨骼設(shè)備的關(guān)節(jié)限位需要比健康人體偏小，尤其是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的延伸區(qū)域，保障偏癱患者不被來(lái)自外骨骼的傳動(dòng)力操縱?；谝呀⒌奶摂M假人模型開(kāi)展康復(fù)外骨骼設(shè)備的人類(lèi)工效學(xué)研究，如圖2所示。

圖2 下肢康復(fù)外骨骼人機(jī)工程分析Figure 2 Ergonomics analysis of lower extremity rehabilitation exoskeleton

外骨骼設(shè)備研發(fā)流程中和人體有嚴(yán)密干涉的部分必須留出充沛的冗余，減輕偏癱患者進(jìn)行醫(yī)療訓(xùn)練時(shí)顯現(xiàn)的疲乏感。設(shè)備間寬相比人體髖部間距必須充足，再者髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)長(zhǎng)度限定可以依照人體結(jié)構(gòu)任意調(diào)節(jié)，調(diào)整限度必須涵蓋90%的中國(guó)大陸人體范疇。由此，獲取外骨骼設(shè)備的功能性尺寸如下。寬度為404 mm，髖部高度可調(diào)區(qū)間介于293 ～368 mm，脛骨點(diǎn)高度可調(diào)區(qū)間介于375 ～ 478 mm，支撐桿長(zhǎng)度為413 mm，可扭轉(zhuǎn)角度為146°。外骨骼關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度為髖部135°、膝部160°、踝關(guān)節(jié)165°。

1.3 人機(jī)系統(tǒng)的建立

外骨骼設(shè)備尺寸依照人機(jī)工學(xué)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定?；贑ATIA創(chuàng)建設(shè)備三維模型，經(jīng)過(guò)裝配設(shè)計(jì)功能將外骨骼設(shè)備模型和虛擬人體模型進(jìn)行適配，利用人體形態(tài)分析功能形態(tài)修訂器對(duì)虛擬人體形態(tài)進(jìn)行修訂并進(jìn)行精確裝配，創(chuàng)建外骨骼設(shè)備人機(jī)系統(tǒng)虛擬模型，如圖3。模擬人機(jī)工學(xué)體系直接反映當(dāng)前人機(jī)關(guān)聯(lián)，后續(xù)的人機(jī)工程校定及評(píng)估也具備了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖3 人機(jī)系統(tǒng)模型Figure 3 Man-machine system model

2 人機(jī)系統(tǒng)校核

相對(duì)下肢康復(fù)外骨骼，人體舒適度和設(shè)備穿戴時(shí)出現(xiàn)的壓迫力大小、視野可達(dá)性、運(yùn)動(dòng)便利度和平穩(wěn)度密切相關(guān)，因此非活動(dòng)形態(tài)、活動(dòng)形態(tài)、視野可達(dá)是對(duì)整體舒適度作用最關(guān)鍵的幾項(xiàng)參數(shù)。

2.1 人機(jī)干涉校核

應(yīng)用CATIA人機(jī)分析功能干涉查驗(yàn)器校定人機(jī)系統(tǒng)，出現(xiàn)干涉區(qū)域會(huì)以鮮明的紅色展現(xiàn)，反之說(shuō)明人機(jī)系統(tǒng)不存在干涉部位。校定完成后，界面展示干涉提式如深度、確切部位。如圖4所示，窗口并未顯示有干涉部位，顯示設(shè)備人機(jī)交互方面并未干涉，表明下肢康復(fù)外骨骼相對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)其功能模塊設(shè)置具備高可行性。

圖4 下肢干涉校核Figure 4 Lower limb interference check

2.2 上肢可達(dá)性仿真

上肢可達(dá)性表示上臂活動(dòng)時(shí)手指能夠接觸的區(qū)域。下肢康復(fù)外骨骼在研發(fā)過(guò)程中，上肢可達(dá)性研究會(huì)決定設(shè)備操縱的合理性，直觀呈現(xiàn)外骨骼設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能否確保人體上肢成功操縱。運(yùn)用CATIA人機(jī)分析功能Manikin Tools功能中的手接觸界面計(jì)算器便能對(duì)靜止、運(yùn)行工況時(shí)的操作可達(dá)性做出仿真實(shí)驗(yàn)，給出上肢伸展域范圍，顯示客觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

如圖5所示，人體虛擬模型的上肢伸展域能夠做到下肢外骨骼設(shè)備所有控制界面可達(dá)，達(dá)到上肢控制設(shè)備需求，表明外骨骼設(shè)備適配第50百分位人體虛擬模型，對(duì)人體適配度優(yōu)良，滿足上肢操縱布局需求。

圖5 上肢伸展域Figure 5 Upper limb extension field

2.3 視野分析

外骨骼設(shè)備處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)人的視線需要察看周?chē)鷧^(qū)域狀況，視線必須寬闊，設(shè)備研發(fā)期間各功能模塊應(yīng)盡量避開(kāi)視線范圍內(nèi)，由此必須在設(shè)備處于穿戴狀態(tài)時(shí)對(duì)周?chē)鷧^(qū)域作視線模擬，檢驗(yàn)設(shè)備的適用度和運(yùn)動(dòng)安全性。CATIA人機(jī)分析功能的視線瀏覽器，便可識(shí)別人體虛擬模型視線區(qū)域里的圖像內(nèi)容，轉(zhuǎn)動(dòng)頭頸可實(shí)現(xiàn)閱讀全方位視線以?xún)?nèi)的圖像內(nèi)容。

視線可達(dá)區(qū)域通過(guò)清晰度劃分為兩部分：白色視線范圍表示雙眼聚焦、半透明視線范圍表示單眼可視，接近視線焦點(diǎn)更為清晰。如圖6所示，第50百分位虛擬人體模型視線可達(dá)范圍之內(nèi)無(wú)部件干擾，表明設(shè)備運(yùn)行時(shí)視線符合設(shè)計(jì)需求。

圖6 視野仿真Figure 6 Visual field simulation

3 人機(jī)系統(tǒng)分析與評(píng)價(jià)

3.1 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析

CATIA人類(lèi)工效學(xué)欄中HPA功能可模擬人體虛擬模型實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)形態(tài)并作出分析，評(píng)價(jià)處于某一形態(tài)時(shí)人體舒適性和操作可達(dá)性。據(jù)此得出的人體形態(tài)數(shù)據(jù)使設(shè)備開(kāi)發(fā)更切合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)，并具備切實(shí)的指導(dǎo)意義。

對(duì)外骨骼設(shè)備作出形態(tài)評(píng)價(jià)前，必須定義外骨骼設(shè)備主要關(guān)節(jié)部位扭轉(zhuǎn)自由度數(shù)值及相對(duì)的舒適性得分。作出評(píng)價(jià)時(shí)，依據(jù)人體處于目前某種形態(tài)時(shí)主要關(guān)節(jié)相對(duì)自由度及相應(yīng)得分作出加權(quán)插值運(yùn)算，最后得出評(píng)價(jià)成績(jī)，得分高代表舒適性更好。依照人體結(jié)構(gòu)和舒適度準(zhǔn)則把腿部關(guān)節(jié)可活動(dòng)自由度劃分成舒適范圍、可活動(dòng)范圍和可達(dá)范圍，關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)舒適性評(píng)價(jià)得分區(qū)間為0 ～ 100分，由此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析主要關(guān)節(jié)舒適性和設(shè)計(jì)可行性，各區(qū)域得分定義見(jiàn)表1。

表1 舒適區(qū)域等級(jí)定義Table 1 Comfort zone level definition

應(yīng)用人體姿態(tài)研究功能對(duì)虛擬人體的運(yùn)動(dòng)步態(tài)作出仿真研究。將髖關(guān)節(jié)作為實(shí)驗(yàn)案例，其活動(dòng)行程最大區(qū)間是 -120° ～ 115°[14]，根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)定關(guān)節(jié)活動(dòng)舒適區(qū)間角度 -8° ～ 60°，可得90分；關(guān)節(jié)活動(dòng)區(qū)間角度60° ～ 90°、-12° ～ -8°，可得75分；關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)最大可及區(qū)間角度為90° ～ 120°、-15° ～ -12°，可得60分，如圖7所示。

圖7 髖關(guān)節(jié)姿態(tài)角度設(shè)置Figure 7 Hip posture angle setting

人體各大關(guān)節(jié)均依照髖關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)劃分舒適范圍、可活動(dòng)范圍及可達(dá)范圍，陸續(xù)得出評(píng)估分?jǐn)?shù)。如表2所示，可見(jiàn)下肢各主要關(guān)節(jié)得分都超出80，表明人體穿戴設(shè)備后進(jìn)行恢復(fù)鍛煉具備可行的舒適性。

表2 姿態(tài)分析報(bào)告Table 2 Attitude analysis report

綜上所述，設(shè)備對(duì)人體具有優(yōu)良的契合度，整機(jī)布局滿足設(shè)計(jì)需求，符合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的人機(jī)性。

但外骨骼設(shè)備在研發(fā)過(guò)程中存在短板?；谝陨系?0百分位虛擬模型髖部運(yùn)動(dòng)形態(tài)評(píng)分說(shuō)明，偏癱患者人群在年齡、生理方面差距較大，舒適性得分盡管超出80分，但相對(duì)其余關(guān)節(jié)得分較低，依照人類(lèi)工效學(xué)仿真研究，得出髖部可扭轉(zhuǎn)角度接近舒適區(qū)間，故得分較低，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行持續(xù)改良。聯(lián)系患者恢復(fù)過(guò)程中的狀況及依照人體運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)于第50百分位虛擬模型在活動(dòng)過(guò)程中的髖部可扭轉(zhuǎn)角度作出修改，使其符合活動(dòng)舒適區(qū)間，由此髖部活動(dòng)區(qū)間調(diào)節(jié)為-7° ～ 32°，再次經(jīng)過(guò)人機(jī)分析表明其舒適性得分明顯提升，同時(shí)各關(guān)節(jié)得分均有一定提升，由此得出偏癱患者應(yīng)用外骨骼設(shè)備做肢體恢復(fù)過(guò)程中合理的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度區(qū)間，如表3所示。

表3 人體、外骨骼關(guān)節(jié)各自由度運(yùn)動(dòng)范圍Table 3 The range of motion of the human body and the exoskeleton joints

綜上可知，通過(guò)對(duì)于外骨骼設(shè)備受力實(shí)驗(yàn)，人機(jī)仿真研究得出的主要關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)自由度能夠確?；颊咴诨貜?fù)鍛煉過(guò)程中獲取舒適的體驗(yàn)感。

3.2 快速上肢評(píng)價(jià)

人體上肢與下肢為聯(lián)動(dòng)關(guān)系，偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中上肢與下肢協(xié)調(diào)完成一個(gè)步行周期。人體姿態(tài)分析模塊快速上肢評(píng)價(jià)功能是對(duì)人體上肢的某一姿態(tài)進(jìn)行人機(jī)工程評(píng)價(jià)，依據(jù)下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍定義上肢運(yùn)動(dòng)角度為-24° ～ 30°，進(jìn)行上肢運(yùn)動(dòng)舒適度分析。

在快速上肢評(píng)價(jià)對(duì)話框中姿態(tài)項(xiàng)選擇重復(fù)，頻率選擇每min大于4次，負(fù)荷欄設(shè)置為0 kg。經(jīng)過(guò)人機(jī)工程分析后獲取最終得分，1 ～ 2分代表該形態(tài)是可以承受的，3 ～ 4分代表該形態(tài)必須進(jìn)行深入分析，5 ～ 6分表示必須進(jìn)行研究和變化姿態(tài)，7分表示必須即刻更改姿態(tài)[15]。

由表4可知，上肢各部位評(píng)分均處于1 ～ 3分之間，依據(jù)評(píng)分等級(jí)，說(shuō)明該人體姿態(tài)下的上肢運(yùn)動(dòng)滿足舒適度需求。

表4 上肢姿態(tài)分析Table 4 Upper limb posture analysis

4 結(jié)論

將 CATIA 人類(lèi)工效學(xué)研究功能融入外骨骼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，運(yùn)用外骨骼相關(guān)的人類(lèi)工效學(xué)運(yùn)用評(píng)估體系，指引設(shè)備開(kāi)發(fā)符合人類(lèi)工效學(xué)的需求。通過(guò)虛擬三維人體模型引入仿真研究流程，能夠得到具備切實(shí)參考意義的力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐外骨骼設(shè)備的機(jī)械、人因設(shè)計(jì)。將外骨骼設(shè)備作為研究目標(biāo)，引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，于虛擬環(huán)境中模擬偏癱患者穿戴外骨骼設(shè)備的形態(tài)，呈現(xiàn)的形態(tài)作出仿真校定和評(píng)估。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，外骨骼設(shè)備整機(jī)布局滿足設(shè)計(jì)需求，在CATIA人類(lèi)工效學(xué)功能實(shí)驗(yàn)下設(shè)置的外骨骼關(guān)節(jié)活動(dòng)區(qū)間契合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)，能夠有效減輕恢復(fù)鍛煉時(shí)的肢體疲憊感，保障患者在使用外骨骼設(shè)備時(shí)感覺(jué)舒適。