基于人机工程学的无动力下肢外骨骼设计研究
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作者:常淳 赵聪明 李浩轩
摘要：本文以为普通人和有负重需要的人提供助力为目标，对无动力下肢外骨骼进行设计。在保证结构合理的基础上力求满足质量轻、操作简便、人机协调等目标。在人机工程学和人体步态运动规律的基础上提出一种无动力下肢外骨骼的设计概念，设计了该外骨骼各关节的自由度数、部件参数等关键信息，在上述基础上对外骨骼进行详细设计，并对其进行分析测试。最终基本完成了设计原型，符合预期目标，下肢外骨骼实现了对使用者助力的目的，满足了相关结构强度要求。实验结果表明下肢外骨骼的结构设计合理，工作模式符合设计要求，为进一步探索下肢外骨骼的设计打下了基础。
关键詞：人机工程学;无动力下肢外骨骼;设计
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编码：1672-7053（2020）04-0030-03
随着人类社会科技的进步，人类越来越接近自己身体的物理极限，于是能够增强人体性能的辅助设备相继被开发，外骨骼应运而生。外骨骼系统是一种能够为其穿戴者强化身体机能的可穿戴设备，在工业生产方面，外骨骼可以减轻使用者的身体负重，用以提高使用者的劳作效率、加速生产;也可以用于医疗行业，助力病人的康复，给予病人重新行动的能力;在军事方面，外骨骼的前景也十分广阔，给士兵配备外骨骼，可以有效提高单兵作战能力，提高军事能力。本文针对现有下肢外骨骼结构进行优化，提出由弹簧和液压结合提供动力，在不需要动力来源的情况下，通过将使用者自身重力势能转化为弹簧、液压杆的势能来进行助力，这样的创新点在于结构简单、制造简便同时成本较低。该外骨骼通过合理的布局和设计，能够实现人机协调，为使用者提供有效的助力。
1 人机工程学概述
人机工程学是研究人与系统中其它因素之间的相互作用，以及应用相关理论、原理、数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能的学科，又称“人因工程学”“人类工效学”等。人机工程学的人与系统包括“人——机——环境”，其中人指操作者或使用者;机泛指人操作或使用的物，可以是机器，也可以是用具、工具和设备等;环境指的是人、机所处的周围环境，如作业场所和空间、物理化学环境和社会环境等。人机工程学主要研究内容可以概括为：第一，人的能力，包括人的基本尺寸、人的作业能力，各种器官功能的限度及影响因素等，对人的能力有了了解，才可能在设计系统中考虑这些因素，使人承受的负荷在可接受范围内;第二，人机交互，工作场所和信息传递装置的设计，主要研究如何设计合适的环境和信息传递装置，使人可以舒适高效地工作;第三，环境控制与安全保护设计，主要研究从长远利益出发，如何设计环境及进行安全保护以保证人在长期功能工作下健康不受影响，事故危险性降低到最小;第四，人机系统的总体设计，人机系统工作效能高低主要取决于它的总体设计，即在整体上使“机”与人体相适应，解决好人与机器之间的分工和机器之间信息交流的问题，使二者取长补短。
2 人体下肢关节结构与步态规划分析
决定下肢主运动状态的主要关节包括以下三个：髋关节、膝关节和躁关节，都属于活动关节，此外，一些不动或者少动关节也分布在脚部和踝部，这些关节也具有一定的调节功能，但在外骨骼设计中出于考虑简化结构的目的，一般不做过多考虑。通过分析人体下肢骨结构，可以得出人的各个组成部分是按照刚体规律运动的，而人作为整体是非刚体的。人体的这种运动形式也称为关节运动，关节运动属于非刚体运动中的一种特殊形式。在下肢运动，大腿的运动是躯干部分的子单位，而小腿是大腿部分的子单位，足部又是小腿部分的子单位，因此可以划分每个关节点的活动范围为一个自由度，从而可以得到一个人体运动的模型（如图1）。
2.1人体下肢关节结构
髋关节是股骨和盆骨的连接处，由股骨的大球状面和髋臼组成，是人体最大，关节窝最深，最典型的杵臼关节。它具有灵活的特点，同时是上身重量的主要支撑，所以十分坚固。髋关节是一种多轴性关节，能同时做屈伸、收展、旋转和环转等不同的运动。但由于其构造原因，股骨头深嵌在髋臼中，髋臼又有关节孟包绕股骨头近2/3，所以关节头与关节窝的面积相差很小，所以运动范围也很小。
膝关节有三大关节包括髌骨关节、外胫骨关节和内胫骨关节，由胫骨内、外侧踝以及髌骨构成，是人体最大且构造最复杂的关节。膝关节位于人体最长的两个杠杆臂大腿和小腿之间，在参与运动或承受负载时十分容易损伤。膝关节的主要运动是屈伸，在膝关节屈伸的同时小腿部分可以绕垂直轴做小范围的旋转、收展运动。
躁关节由胫、腓骨下端的关节面与距骨滑车构成，所以又名距骨小腿关节，与木匠用的榫头类似，榫近侧的凹陷形状是由连接腓骨和胫骨的结缔组织来维持的。踝关节狭窄的形状是踝部的自然稳定性的主要来源，因此要具备足够的稳定性来传导足部与腿部之间的力。踝关节不同于上述关节，属于滑车关节，可以沿距骨体的冠状轴做背屈和跖屈运动，另外还可以做小范围的翻转。
综上所述，在下肢外骨骼的设计中，要充分考虑到从仿生学的角度分析，着重考虑到人体的这些结构特点，比如关节的自由度、运动范围，下肢外骨骼的设计要尽量模仿人体的结构，使外骨骼能够达到与人体相仿的自由度，充分模拟人体的运动，如表1。
2.2人体步态分析
在设计下肢外骨骼的过程中，考虑到外骨骼要穿在人身上，就必须与人有很好的协调性，对人体结构有适应性，因此对人进行步态分析在下肢外骨骼的设计中必不可少（如图2）。
对步态进行研究可以得出：在一个步态周期中，要经历触地支撑和离地摆动两个阶段，我们在此分别定义为支撑相和摆动相，支撑相在整个步态周期中约占65%，摆动相约占35%，同时男女并无明显差别。所以我们可以将人行走分为：双腿支撑、左腿支撑、双腿支撑、右腿支撑。对于这样的行走姿态，可以发现有一个双腿支撑的阶段，在这个阶段，人的两足是着地的。但随着人行走速度增加，这个阶段会越来越短，直至两足着地阶段消失，形成了“跑”。所以可以看出在运动方式不同的情况下，人体步态周期会呈现较大的差异，人在运动过程中，人体的一些关节和部位会跟随跨步的周期频率，也进行着周期性的变化，这为下肢外骨骼的步态规划打下了基础。 3 基于人机工程的无动力下肢外骨骼设计分析
3.1设计要求
综合上述研究分析，得出了以下几点设计要求：（1）下肢外骨骼在一定程度上可以视作使用者肢体的延伸，在结构设计上要充分考虑人机工程学和仿生学，在其设计中要考虑到人体下肢主要骨骼和肌肉群的分布，了解这些部位在人动作过程中所发挥的作用，以便更好地理解下肢外骨骼每个部件和结构发挥的功能;（2）下肢外骨骼应具有良好的可穿戴性，穿脱外骨骼不需要经过专业训练，绝大多数人都可以自主完成顺利穿脱;（3）下肢外骨骼应具备可调节性，下肢外骨骼要能够适应各种使用者的身材，做到尺寸可调节;（4）下肢外骨骼与人体之间要尽量减少相互干扰，减少人与外骨骼之间的接触面积，减少穿戴上外骨骼后对人体各方面的限制;（5）下肢外骨骼要有足够的鲁棒性，包括外骨骼的材料要有足够的强度以承受负重，各机构之间有良好的对的协调性，结构要足够可靠来应对可能出现的冲击载荷;（6）下肢外骨骼的运动要与人腿的运动具有良好的协调性，关节自由度的设置要与人体结构的自由度相匹配，让使用者觉得顺滑自然;（7）下肢外骨骼的设计归根到底是产品的设计，对此要充分考虑到价值工程学的作用，在满足功能的同时要尽量减少开发的难度和产品的成本。
3.2下肢外骨骼人机参数设计
除了确定下肢各关节的运动范围外，下肢外骨骼的设计还要考虑人体下肢其他的参数，其中最主要的是人的大腿和小腿的长度，因此对这两个参数进行着重分析。
根据我们的设计对象是成年人，所以选取成年人为分析对象。查阅《中国成年人人体尺寸表》，我们得到如表2所示的数据，为了使设计的参数覆盖到更多的人群，在此取第十百分位为下限，第九十百分位为上限，并加入适当的修正量进行外骨骼结构杆长的计算。例如，在大腿连杆部分，大腿连杆长度在428mm以下可调能满足5%的人使用，在505mm以下可调则可以满足95%的人使用，所以当大腿连杆的长度设置在428mm～505mm之间时可以满足90%的人使用，以此类推。
3.3下肢外骨骼结构设计与分析
髋关节处的主要部件为腰带连接处、球头连接装置、转动轴和液压轴。髋关节是用来连接大腿部分和腰部的，人体自然站立时髋关节的连接骨在矢状面和冠状面与人体均呈36°角，因此采用万向的球头连接装置，保证了大腿的活动范围，以达到尽可能模拟人的自然态。
在满足下肢外骨骼的整体强度的前提下，考虑到产品的重量与便携性，同时为了简化结构，大腿连杆内部采用弹簧进行缓冲与储能，再配合大腿后方的液压杆，可以充分实现压力的分散和储能助力目的。在站立状态时，弹簧和液压杆都处于轻微压缩的状态，此时整个人体处于略微前倾的状态，当迈出左脚时，左腿上抬要克服重力做功，此时左半部弹簧和液压杆开始回弹，将两者的勢能转化为使用者的动能，当左腿落地的时候，腿依靠重力下坠，此时弹簧被压缩、液压杆被拉伸，储存势能。
膝关节则由大腿连杆、小腿连杆、关节连接头和大腿后侧液压杆组成，在上述的膝关节特征分析中已经提到过小腿通过膝关节和相关肌肉可以做出屈伸和微小的旋转运动，但由于膝关节的结构紧固所以旋转运动基本可以忽略。在膝关节的设计中采用有限元分析，设计了减重孔，减轻重量。在减重孔中还设置了限位螺钉，对膝关节起到限位保护作用。同时，膝关节上侧各有一个金属拨片，这个金属拨片是关节锁死的开关，针对于某些特定操作，使用者需要使用蹲坐的姿势，此时就可以锁死膝关节机构，下肢外骨骼就会形成支架一样的效果，为使用者提供支撑以达到降低疲劳的效果（如图3）。
3.4不同助力方式的受力分析
为了验证下肢外骨骼的助力效果，对人体处于负重模式下采用不同助力方式时进行受力分析的比较，经过对比可以明显看出，当人处于无助力状态时，整个负载的重量都会由人体完全承受，经由脚掌将压力分散向地面;当使用手杖时相当于为人体多提供了两个支撑点，一部分压力通过手杖被分散;当使用下肢外骨骼时，外骨骼的腰带部分会对重物起到一个托举的作用，同时外骨骼依附在人腿的两侧，人受到的压力一部分直接由外骨骼传递到地面，而外骨骼承重的同时，在弹簧和液压杆的作用下又会对人体产生作用力，达到助力的效果（如图4）。
3.5下肢外骨骼的材料选择
在下肢外骨骼材料的选择上，既要满足足够的强度又要考虑到使用者的舒适性问题，所以在腰带部分和绑腿两处的固定织带和坐垫采用弹性尼龙材料，这种材料既具备弹性又有很好的韧性，利用这种材料解决了穿戴舒适性和操作强度冲突的问题。腰带护腰部分和足部踏板部分采用了ABS工程塑料，这种塑料具有优良的综合性能，刚性大、蠕变小、机械强度高、绝缘性好，可以在较为苛刻的环境中使用。主体部分采用了钛合金，钛合金兼备了抗腐蚀、耐酸碱、密度低、强度高等诸多优点，很好地贴合了下肢外骨骼主题材料的需求。
4 结语
在下肢运动分析的基础上结合人机工程学设计原则，完成了对本下肢外骨骼的设计，虽然在设计的过程中部分数据的处理和验证尚且不完备，也缺乏足够专业的设备和实物模型进行步态的捕捉与获取，但其设计原理及理念仍有一定的参考价值，这里验证了无动力下肢外骨骼的可行性，在一定程度上满足了提供助力的目的。从功能的角度出发，该产品实现了以下几点需求：第一，大大减少膝盖肌肉的力量，从而减少膝盖关节的力量;第二，可以实现步行，上升/下降楼梯和下蹲，以实现无阻碍的运动，并且仅在需要支持时提供支持;第三，不会阻碍常见的日常活动，例如，上下楼梯，甚至开车或骑自行车;第四，拟人化的轮廓和可调节的尺寸可让使用者自然运动。这些探讨分析促进了下肢外骨骼功能、结构的创新，为结构简化提供了思考与参照，在后续的改进中，还将对现有设计进一步优化，制作出实物模型，进行系统的人体步行试验和结构优化，进一步探索无动力下肢外骨骼设计的可能。
本文系2019年全国大学生创新创业训练计划项目“仿生助力产品设计”（项目编号：201910216054）;燕山大学亿丰创新创业基金资助项目（项目编号：0130005）。 参考文献
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作者简介
常淳/1999年生/男/江苏人/本科/研究方向为产品设计和人机交互设计（河北秦皇岛066004）
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