基于人机工程学的下肢助力外骨骼造型设计研究

张跃阳　李明

摘要：为解决对外骨骼穿戴舒适度及造型设计研究不足的问题，文章从人体测量学、人体解剖学角度分析了影响下肢助力外骨骼设计的要素，然后根据外骨骼中的人机工程学因素明确了基于人机工程学的人体外骨骼的造型设计原则，最后阐明了人体外骨骼静态尺寸与动态尺寸的设计思路。以期提高外骨骼穿戴舒适度，为相关研究提供思路。

关键词：人机工程学;下肢助力外骨骼;造型设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2020）11-0031-02

下肢助力外骨骼是一种包覆在人体外部，用于提升人体机能的带动人体活动的机械装置。其结构通常由背部装载能源的置物架、髋关节结构、膝关节结构、大腿连杆、小腿连杆、踝关节结构、大、小腿连杆及踝关节处的驱动器、可检测足底压力的压力鞋组成。美国、日本等多个国家已将其应用到军事、民用等多个领域，国内也开始将之投入到民用领域进行物品搬运实验，发展前景良好。

美国等发达国家对外骨骼的研究起步于2000年，已经逐步实现产业化，从单纯的实验室样机研究发展到市场化产品阶段。国内对外骨骼的研究主要集中于控制策略、结构设计等方面，对外骨骼舒适度、造型设计相关问题关注较少，且学者对舒适度的研究也多从运动学与动力学入手，主要集中于增强人机契合度、实现穿戴外骨骼步行时更加平顺的方向，而对外骨骼穿戴的舒适度与外骨骼的美观度研究较少。外骨骼穿戴的不舒适与造型的不优美可能会影响到穿戴者的生理及心理上的体验与安全。

1人机工程学概述

人机工程学是一门研究与人相关因素，确保人的健康、安全和舒适等问题的学科。“以人为本”是人机工程学的核心思想，而人、机、环境因素及三者间关系是人机工程学的研究重点。以人的生理与心理因素为基础研究机器与工作环境的功能与造型设计的合理性、安全性，是人机工程学研究的主要內容。

2基于人机工程学的下肢助力外骨骼造型设计意义

由于下肢助力外骨骼包覆于人体外部、随动于人体的特性，为使其能更好地适应人使用，引入人机工程学方法进行设计可以更好地对下肢助力外骨骼中人的因素加以考虑，提升穿戴外骨骼时的舒适度。且运用人机工程学方法设计下肢助力外骨骼也能达到规划其造型比例的目的，外骨骼的形态和活动规律与人体形态比例和活动规律相近，这种比例可精准传递自然的美感，增加人的舒适感，从而提升人对外骨骼的认同感。因此，对下肢助力外骨骼中的人机工程学因素进行分析是外骨骼造型设计的重要一环。

3下肢助力外骨骼中的人机工程学因素

人机工程学包含的理论十分广泛，其中影响下肢助力外骨骼设计的主要人机因素有人体测量学、人体解剖学。人体测量学决定了外骨骼的静态尺寸设计，人体解剖学决定了动态尺寸的设计。

3.1人体测量学

人体测量学是通过测量人体局部与整体的尺寸数据来探讨人体特征的科学，可提供人体相关数据。研究人体测量学的目的是确定外骨骼产品的具体尺寸数据，以保证产品尺寸的设计能够符合人的生理特征，使人处与舒适状态。

为保证不同人群在规划产品尺寸时使用的人体测量数据精准、严谨，国家通过测量全国各个地区的人的身体尺寸总结制定了涵盖立姿、坐姿状态下多项成年人体尺寸数据《GB 10000-1988中国成年人人体尺寸》以供参考，此外还制定了《GB/T 12985-1991在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则》，根据不同产品类型对人体尺寸百分位数的选用给出了建议。

3.2人体解剖学

人体解剖学是专门研究健康人体结构形态的学科。其中，骨、关节、肌三者总重占人体总重的60%，是人体解剖学研究的重点之一。关节形态限制肢体活动方向与活动限度、与之连接的骨在支撑人体的同时保证人体完成相应活动，肌肉附着在骨与关节上与韧带共同作用，带动骨与关节运动、限制人的活动范围。上述研究可以总结出人体各个关节的活动方向、归纳出活动时人体的动态功能尺寸，作为下肢助力外骨骼动态尺寸的设计参考。

在人体解剖学中，将关节按自由度不同分为单轴关节、双轴关节、多轴关节。单轴关节仅有一个自由度，双轴关节有两个自由度，多轴关节有三个自由度。应根据肢体部位的特征设计下肢助力外骨骼的各个关节自由度。由于人体的活动受到肌肉与韧带的影响，其活动范围存在一定限度的，超过限度将会造成人体损伤。外骨骼动态尺寸限值应与人体活动限度范围相合，文献[5]给出了较为详细的人体重要活动范围和身体各部舒适姿势调节范围，可作为外骨骼动态尺寸的设计依据。

4基于人机工程学的下肢助力外骨骼造型设计原则

在明确外骨骼中的人机工程学因素后可总结出以下外骨骼造型设计原则：

4.1安全性原则

安全性原则是供人使用的产品设计的基本原则，外骨骼作为长时间包覆在人体上的机械装置，更应保证人体不会因外骨骼自身原因受到损害，这就需要正确规划外骨骼的结构尺寸与活动范围避免其成为人体活动的阻碍，此外，在外骨骼造型上，应尽可能避免设计尖锐棱角和棱边，防止人因与外骨骼发生磕碰而导致损伤。

4.2舒适性原则

舒适性原则是在安全行原则的基础上提出的，其目的是保证人穿戴外骨骼的舒适。外骨骼与人体紧密连接，在条件允许的情况下，下肢助力外骨骼的静态尺寸设计、动态尺寸设计应尽可能参考人体尺寸与人体运动方式，提升人与外骨骼的人机协同能力，从而达到减轻人体负担的目的。

4.3通用性原则

通用性原则是基于人机工程学“以人为本”的设计原则提出的，目的是保证外骨骼能够在不进行改装的情况下能满足多数人的使用。

5基于人机工程学的下肢助力外骨骼造型设计思路

5.1下肢助力外骨骼静态尺寸设计

下肢助力外骨骼作为与人体密切相关的工业产品，根据安全性原则与舒适性原则，其静态尺寸应根据成年人人体尺寸特征进行设计。外骨骼需确定的静态尺寸因素有大、小腿连杆长度、压力鞋大小、髋关节宽度，影响上述因素尺寸设计的人体尺寸有大、小腿长、足长与足宽、臀宽等多项数据，可通过查阅GB 10000-1988明确不同百分位数上的数据尺寸。下肢助力外骨骼静态尺寸对百分位数的选取可参考GB/T 12985-1991，根据通用性设计原则，为提高外骨骼的普遍适用性，将下肢助力外骨骼定位为男女通用产品，使用双限值设计，视情况选取男性、女性第95百分位数、第5百分位数上的数据作为上、下限值依据。固定尺寸的外骨骼仍无法满足多数人需求，引入人体尺寸应用原则中的可调性设计原则可解决尺寸单一的问题。人体尺寸数据一般特征是处于同一百分位数中男性尺寸数据大于女性，外骨骼静态尺寸通常选择女性第5百分位数作为下限值、男性第95百分位数作为上限值，但由于男女身体生理结构差异，女性臀宽尺寸大于男性，此时选择男性第5百分位数作为下限值、女性第95百分位数作为上限值。下肢外骨骼通常在穿着鞋袜的情况下使用，此时人对压力鞋合脚程度敏感度降低，对压力鞋尺寸精度要求不高，可仅考虑使用单限制大尺寸设计数据，将男性第95百分位数数据作为上限值，不使用可调设计。根据GB 10000-1988中的成年人人体尺寸数据，依照文中所述尺寸选取方式设计外骨骼的静态尺寸数据，总结出下肢助力外骨骼静态尺寸限值取值如表1：

5.2下肢助力外骨骼动态尺寸设计

根据安全性原则、舒适性原则要求，下肢助力外骨骼的动态尺寸应根据人体解剖学中的关节特征、关节活动范围确定。下肢助力外骨骼活动关节主要有髋关节、膝关节、踝关节，可将三者与人体的这三个关节一一对应。由于髋关节是多轴关节，膝关节与踝关节是单轴关节，因此在外骨骼关节自由度设计时髋关节、膝关节、踝关节自由度设计分别为：3、1、1。通过查阅文献，获取健康成年人体的活动方向与活动范围信息，以此为依据设计外骨骼的活动方向与活动范围，外骨骼各关节活动范围尺寸设计见表2。其中活动时接近人体躯干为“+”、远离躯干为“-”。

6结语

论文以增强外骨骼穿戴的舒适性和提升造型美观度为目的，提出运用人机工程学理论设计下肢助力外骨骼的方法。阐明了人体测量学与人体解剖学对外骨骼设计的重要性，确定了下肢助力外骨骼造型设计的三项原则，应用该原则解析下肢助力外骨骼静态尺寸与动态尺寸的设计，给出外骨骼静态与动态尺寸设计的具体数据。运用人机工程学原则设计工业产品造型的方法不仅适用于助力外骨骼的设计，还可应用于任何与人体相关产品的设计中，为改善其他产品的使用舒适度、设计产品造型比例提供方向。