下肢外骨骼康复机器人人机交互系统分析

王年文+朱亦吴+姜文博+毕翼飞

摘 要：随着医疗康复市场的扩大，越来越多的外骨骼机器人应用于医疗与日常生活中。下肢外骨骼康复机器人可以对诸如脊髓损伤患者、截瘫病发患者、残疾人、中老年人等行走不便者辅助行走进行有效的治疗和预防。为了提高其设计的准确性，规范其设计数据，分别从人体下肢骨结构和自由度，步态周期及髋关节、膝关节和髁关节的角度变化，对下肢外骨骼康复机器人的人机交互系统进行了分析，结合人机数据分析，总结出了在进行下肢外骨骼康复机器人的设计时需要注意的安全性、穿戴性、舒适性和可调节性。

关键词：下肢外骨骼；康复运动；机器人；人机交互系统；设计原则

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.085

外骨骼机器人起源于上世纪60年代，最初的成品是美国的哈德曼助力机器人，近年来伴随着科学技术的发展，逐渐运用于军事、医疗、工业等各个领域。在国外，由日本筑波大学研发的外骨骼机器人HAL3，以色列的“外骨骼”助力装置ReWalk ，还有美国的BLEEX低位肢体外骨骼等，都是外骨骼机器人的典型代表。最初外骨骼机器人常用于军事领域，近年来，随着医疗康复市场的扩大，越来越多的外骨骼机器人应用于医疗领域，带来了巨大的市场价值和社会效应。它不光可以对诸如脊髓损伤患者进行有效的治疗，预防截瘫的病发，也可以为残疾人、中老年人等行走不便者辅助行走。那么从工业设计角度来看，合理处理好患者与机器，以及环境之间的人机关系，对进行下肢外骨骼康复机器人的设计是十分重要的。

1 下肢外骨骼康复机器人的介绍

外骨骼机器人是一种可穿戴式机械操作装备，它融合了传感、控制、移动计算等技术，通过人操作机器来达到智力和体力上的完美结合。我国国内引入到临床应用的普遍以牵引式、悬挂式康复机器人居多，下肢外骨骼康复机器人起步较晚，有足够的上升空间。它的用户一般分为两个群体：一个是因为事故、运动、老化等原因行走功能已经严重受损的人群，这时外骨骼康复机器人是作为长期使用的辅助步行工具；另外一部分，就是短暂失去行走能力的人群，帮助他们进行康复训练以迅速恢复健康步行能力。

2 人机工程学

人机工程学是一门多门学科相互交叉的边缘学科。其研究核心主要由人、机、环境三者共同构成的人机交互系统，通过对人、机器及环境三者之间进行协调，来指导设计工作，提高作业上的效率、安全、健康和舒适。

下肢外骨骼康复机器人作为一件辅助类康复产品，患者在使用产品进行康复运动的同时与周边环境构成了一个完整的“人-机-环境”系统。在进行下肢外骨骼康复机器人的设计时，必须要从“人机交互系统”的角度，围绕人体的基本素质、心理因素和反射因素，机器的特性、几何参数和机器模型，环境的作业特性和特征，人与机器的动作分析、动作稳定性、动作适应性和动作轨迹，人与环境的外界条件反射和外部信息，机器与环境的作业空间和储存环境等内容对整个下肢外骨骼康复机器人所构成的“人-机-环境”进行系统分析。

3 下肢外骨骼康复机器人人机分析

3.1 人体剖析结构

为满足下肢外骨骼机器人的安全性、调节性与舒适性，外骨骼的结构应该依据仿生学原理，按照人体下肢结构来进行设计。如图1所示，在人体解剖学中，可以将人体在三维空间内用三个相互垂直的基准轴（矢状轴，垂直轴，冠状轴）和三个基准面（矢状面，水平面，冠状面）来划分。

3.2 人体下肢骨结构和自由度分析

人的下肢的主要功能支持身体，承受体重和行走，这些运动是由关节的转动来实现的。如图2左：下肢骨结构图所示，在下肢骨结构中，髋关节，膝关节和髁关节作为运动关节将其它的骨骼进行连接。人的下肢活动是依靠这三个关节的关节运动而带动的，这三个关节的关节运动又是分别围绕着相应的基准轴、基准面进行的。髋关节是一个具有三个自由度的球形关节，而股骨以髋关节为中心围绕着基准轴做以下这些自由度运动：围绕着冠状轴做屈/伸运动，围绕着矢状轴做外展/内收运动，围绕着垂直轴做内旋/外旋转运动。从髋关节附近的结构来看，髋关节的主要自由度还是屈/伸运动，后两个自由度因运动幅度小，并且考虑到结构的简单性，在外骨骼的结构设计中是可以被省略的。膝关节由于人体构造的限制，在水平面，冠状面的运动十分的细微，所以结构设计中只考虑在矢状面内进行的屈/伸運动。髁关节是人体下肢运动的稳定性的重要保证。和髋关节一样，它具有三种自由度运动：屈/伸运动，外展/内收运动，内翻/外翻运动。

如图2右：自由度剖析图所示，参考人体下肢骨结构，可以总结出人的单腿在运动中需要7个自由度，并且这些自由度的运动角度都是有一定限制和范围的。

3.3 人体步态分析

那么如何得到人步行时，这三个关节的角度变化？我们需要对步行运动中的步态周期进行分析。人类的行走是一个通过左右腿交叉摇摆的周期性过程，它是通过肢体运动并前进的一种周期性的形式和现象，行走、奔跑或者移动都属于步态。

“步态周期”是指行走过程中一侧足跟着地至该侧足跟再次着地的时间。一个步态周期被分成了两个阶段，其中足底与地面接触的阶段被称之为站立相，而腿离地并摆动的阶段则如图3所示，人体的步态周期分为8个分期：首次着地、承重期（双支撑期）、站立中期、站立末期、迈步前期、迈步初期、迈步中期和迈步末期。这8个分期分别属于双支撑期和单支撑期，每一个步行周期中都有双支撑期，它从单侧足跟着地开始，到对侧足趾离地结束，期间双腿处于和地面接触的状态。而单支撑期则是单腿与地面接触。如表1所示各关节角度变化。

3.4 人体主要尺寸

为了产品的舒适性与可调节性，整个下肢外骨骼康复机器人的尺寸需要参照《中国成年人人体尺寸（GB/T 10000-1988）》。该标准的数据分为三个年龄段的男女，即18岁-25岁（男女），26岁-35岁（男女），36岁-60岁（男）/55岁（女）。

如表2，人体的身高，下肢的长度是各不相同的，并且个体在不同年龄段的数值也是不同的。因此，在实际设计中必须预留一定的可调节性，比如可以通过添加调节装置实现。

4 结语

通过上述分析，可以看出合理处理好患者与产品之间的人机数据是十分重要的。我们在进行下肢外骨骼康复机器人的设计时，需要考虑产品的安全性、穿戴性、舒适性和调节性。尽量减少产品与人体的接触面，减少产品对人体的各方面限制，产品不能对患者脊髓造成二次伤害；方便用户快速穿戴、脱掉以及更换；产品的使用要符合用户的舒适度；为方便不同患者，要考虑产品的可调节性和可更换性等等。当然，具体的设计方案和实施方案还需要根据力学、材料学等多学科进行进一步的交叉研究。

参考文献

[1]饶玲军.下肢外骨骼行走康复机器人研究[D].上海：上海交通大学， 2012.

[2]姚君，刘淼，陈亚明，王菊. 基于人机工程学知识的设计认知与应用方法研究[J]. 包装工程，2010，（06）：5-8.

[3]潘兴广，杨国荣. 基于下肢轮廓特征的步态周期算法[J]. 计算机光盘软件与应用，2014，（08）：80-82.endprint