基于CATIA的可穿戴下肢康复外骨骼人类工效学研究

苏 晨，张浩然，程 帅

(湖北工业大学 工业设计学院, 湖北 武汉 430068)

下肢外骨骼设备是与偏瘫患者深度交互的产品，和人体数据及人类工效学彼此关联[1-2]。偏瘫患者实施全流程康复医疗后，一年之内恢复生理自理能力比重占60%以上[3]。由于偏瘫患者早发性比例逐步增加，辅助医疗产品确定为国家重点发展对象[4]。由于国内在医疗外骨骼领域的实际研究中偏重功能性，造成偏瘫患者在康复训练中负荷增大，人机系统对于改善医疗质量和患者安全至关重要[5]，据此提升偏瘫患者在应用康复外骨骼设备时的舒适度越发关键。CATIA (computer aided three-dimensional interactive application，计算机辅助三维交互应用)人类工效学研究整合为4大功能：人体模型构建、人体尺寸编辑、人体运动分析、人体模型体态评价[6]。当前关于应用CATIA进行计算机辅助人类工效学的成果重点集中于交通工具设计开发方向，用以评估座椅舒适度、视线和肢体可达性[7-8]。相对在外骨骼设备开发方向的运用还停顿在依赖现有数据支撑[9-11]，为了解决现有难题，急需引进计算机辅助人类工效学设计来提升该学科虚拟模型尺寸精度，完善产品人机系统。

运用CATIA人类工效学分析功能，在外骨骼设备的三维模型中同步加载虚拟人体模型，创建虚拟人机装配，参照偏瘫患者在应用外骨骼设备时呈现的身体形态，作出人类工效学校定和评估，进而在外骨骼设备开发初期就针对偏瘫患者的动作形态、人机交互、整机功能构成合理性及穿戴舒适度等进行仿真研究，优化使用性能，提升外骨骼产品安全、效率和舒适度等功效，使偏瘫患者在使用外骨骼设备时感觉舒适。

1 人机系统的构建

1.1 人体模型的建立

鉴于偏瘫患者中男性患病比例高于女性，人体尺寸也较女性更为高大，且大多数穿戴型外骨骼装备的舒适度分析都选用第50百分位 (中等体型)人体虚拟模型，以支持90%的适配度，故人机校定与评估分析拟选用第50百分位男性虚拟模型作为研究方向。

因CATIA不支持中国大陆虚拟人体数据，通过比较，中国台湾的虚拟人体尺寸与中国大陆虚拟人体尺寸最为相似，故在选取中国台湾人体模型基准上对照文献[11]中的现有中国成年人人体数据调节已设置的三维人体模型，年龄范围选取36 ～ 60岁，令其精准度与真实度符合实验需求。据此得到第50百分位的虚拟人体模型 (男性)完整参数为身高1 692 mm，站立会阴高度775 mm，站立手部离地高738 mm，站立膝部高为485 mm，站立臀部宽为318 mm等。

1.2 下肢康复外骨骼人类工效学设计

下肢康复外骨骼人类工效学分析的第1步是将偏瘫患者作为研究对象，建立便于安全操作兼具较高身体适应性的完整运动环境，使偏瘫患者获取最好的临床医疗适应性。通过一系列功能布局和造型相关研究，得出下肢康复外骨骼各功能模块初步方案，如图1所示。

图1 外骨骼三维模型Figure 1 Exoskeleton 3D model

依照人体生理结构作出关节自由度分析[12]，身体下肢活动时的主动关节是髋关节、膝关节；被动关节是踝关节、髋关节外展。外骨骼设备设计过程中首要对髋关节、膝关节和踝关节的运动自由度及舒服程度这两个核心点进行模拟分析。依据髋关节运动特性，设置弯曲、屈展、旋转3个自由度；膝关节设置屈展一个自由度；踝关节与髋关节、膝关节协作运行，设置屈展、旋转两个自由度[13]。

下肢康复外骨骼设备关节运动轨道采纳模仿人体结构进行设计关节运动限位装置。外骨骼设备的关节限位需要比健康人体偏小，尤其是髋关节、膝关节和踝关节的延伸区域，保障偏瘫患者不被来自外骨骼的传动力操纵。基于已建立的虚拟假人模型开展康复外骨骼设备的人类工效学研究，如图2所示。

图2 下肢康复外骨骼人机工程分析Figure 2 Ergonomics analysis of lower extremity rehabilitation exoskeleton

外骨骼设备研发流程中和人体有严密干涉的部分必须留出充沛的冗余，减轻偏瘫患者进行医疗训练时显现的疲乏感。设备间宽相比人体髋部间距必须充足，再者髋关节、膝关节长度限定可以依照人体结构任意调节，调整限度必须涵盖90%的中国大陆人体范畴。由此，获取外骨骼设备的功能性尺寸如下。宽度为404 mm，髋部高度可调区间介于293 ～368 mm，胫骨点高度可调区间介于375 ～ 478 mm，支撑杆长度为413 mm，可扭转角度为146°。外骨骼关节运动角度为髋部135°、膝部160°、踝关节165°。

1.3 人机系统的建立

外骨骼设备尺寸依照人机工学和内部结构确定。基于CATIA创建设备三维模型，经过装配设计功能将外骨骼设备模型和虚拟人体模型进行适配，利用人体形态分析功能形态修订器对虚拟人体形态进行修订并进行精确装配，创建外骨骼设备人机系统虚拟模型，如图3。模拟人机工学体系直接反映当前人机关联，后续的人机工程校定及评估也具备了实验基础。

图3 人机系统模型Figure 3 Man-machine system model

2 人机系统校核

相对下肢康复外骨骼，人体舒适度和设备穿戴时出现的压迫力大小、视野可达性、运动便利度和平稳度密切相关，因此非活动形态、活动形态、视野可达是对整体舒适度作用最关键的几项参数。

2.1 人机干涉校核

应用CATIA人机分析功能干涉查验器校定人机系统，出现干涉区域会以鲜明的红色展现，反之说明人机系统不存在干涉部位。校定完成后，界面展示干涉提式如深度、确切部位。如图4所示，窗口并未显示有干涉部位，显示设备人机交互方面并未干涉，表明下肢康复外骨骼相对人体的运动其功能模块设置具备高可行性。

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

2.2 上肢可达性仿真

上肢可达性表示上臂活动时手指能够接触的区域。下肢康复外骨骼在研发过程中，上肢可达性研究会决定设备操纵的合理性，直观呈现外骨骼设备运动过程中能否确保人体上肢成功操纵。运用CATIA人机分析功能Manikin Tools功能中的手接触界面计算器便能对静止、运行工况时的操作可达性做出仿真实验，给出上肢伸展域范围，显示客观的实验结果。

如图5所示，人体虚拟模型的上肢伸展域能够做到下肢外骨骼设备所有控制界面可达，达到上肢控制设备需求，表明外骨骼设备适配第50百分位人体虚拟模型，对人体适配度优良，满足上肢操纵布局需求。

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

2.3 视野分析

外骨骼设备处于运动状态时人的视线需要察看周围区域状况，视线必须宽阔，设备研发期间各功能模块应尽量避开视线范围内，由此必须在设备处于穿戴状态时对周围区域作视线模拟，检验设备的适用度和运动安全性。CATIA人机分析功能的视线浏览器，便可识别人体虚拟模型视线区域里的图像内容，转动头颈可实现阅读全方位视线以内的图像内容。

视线可达区域通过清晰度划分为两部分：白色视线范围表示双眼聚焦、半透明视线范围表示单眼可视，接近视线焦点更为清晰。如图6所示，第50百分位虚拟人体模型视线可达范围之内无部件干扰，表明设备运行时视线符合设计需求。

图6 视野仿真Figure 6 Visual field simulation

3 人机系统分析与评价

3.1 运动姿态分析

CATIA人类工效学栏中HPA功能可模拟人体虚拟模型实时运动形态并作出分析，评价处于某一形态时人体舒适性和操作可达性。据此得出的人体形态数据使设备开发更切合人体运动学，并具备切实的指导意义。

对外骨骼设备作出形态评价前，必须定义外骨骼设备主要关节部位扭转自由度数值及相对的舒适性得分。作出评价时，依据人体处于目前某种形态时主要关节相对自由度及相应得分作出加权插值运算，最后得出评价成绩，得分高代表舒适性更好。依照人体结构和舒适度准则把腿部关节可活动自由度划分成舒适范围、可活动范围和可达范围，关节扭转舒适性评价得分区间为0 ～ 100分，由此进行实验分析主要关节舒适性和设计可行性，各区域得分定义见表1。

表1 舒适区域等级定义Table 1 Comfort zone level definition

应用人体姿态研究功能对虚拟人体的运动步态作出仿真研究。将髋关节作为实验案例，其活动行程最大区间是 -120° ～ 115°[14]，根据人体工程学设定关节活动舒适区间角度 -8° ～ 60°，可得90分；关节活动区间角度60° ～ 90°、-12° ～ -8°，可得75分；关节运动最大可及区间角度为90° ～ 120°、-15° ～ -12°，可得60分，如图7所示。

图7 髋关节姿态角度设置Figure 7 Hip posture angle setting

人体各大关节均依照髋关节实验划分舒适范围、可活动范围及可达范围，陆续得出评估分数。如表2所示，可见下肢各主要关节得分都超出80，表明人体穿戴设备后进行恢复锻炼具备可行的舒适性。

表2 姿态分析报告Table 2 Attitude analysis report

综上所述，设备对人体具有优良的契合度，整机布局满足设计需求，符合产品开发的人机性。

但外骨骼设备在研发过程中存在短板。基于以上第50百分位虚拟模型髋部运动形态评分说明，偏瘫患者人群在年龄、生理方面差距较大，舒适性得分尽管超出80分，但相对其余关节得分较低，依照人类工效学仿真研究，得出髋部可扭转角度接近舒适区间，故得分较低，在此基础上进行持续改良。联系患者恢复过程中的状况及依照人体运动学对于第50百分位虚拟模型在活动过程中的髋部可扭转角度作出修改，使其符合活动舒适区间，由此髋部活动区间调节为-7° ～ 32°，再次经过人机分析表明其舒适性得分明显提升，同时各关节得分均有一定提升，由此得出偏瘫患者应用外骨骼设备做肢体恢复过程中合理的关节运动角度区间，如表3所示。

表3 人体、外骨骼关节各自由度运动范围Table 3 The range of motion of the human body and the exoskeleton joints

综上可知，通过对于外骨骼设备受力实验，人机仿真研究得出的主要关节扭转自由度能够确保患者在回复锻炼过程中获取舒适的体验感。

3.2 快速上肢评价

人体上肢与下肢为联动关系，偏瘫患者康复训练过程中上肢与下肢协调完成一个步行周期。人体姿态分析模块快速上肢评价功能是对人体上肢的某一姿态进行人机工程评价，依据下肢关节运动范围定义上肢运动角度为-24° ～ 30°，进行上肢运动舒适度分析。

在快速上肢评价对话框中姿态项选择重复，频率选择每min大于4次，负荷栏设置为0 kg。经过人机工程分析后获取最终得分，1 ～ 2分代表该形态是可以承受的，3 ～ 4分代表该形态必须进行深入分析，5 ～ 6分表示必须进行研究和变化姿态，7分表示必须即刻更改姿态[15]。

由表4可知，上肢各部位评分均处于1 ～ 3分之间，依据评分等级，说明该人体姿态下的上肢运动满足舒适度需求。

表4 上肢姿态分析Table 4 Upper limb posture analysis

4 结论

将 CATIA 人类工效学研究功能融入外骨骼产品开发过程中，运用外骨骼相关的人类工效学运用评估体系，指引设备开发符合人类工效学的需求。通过虚拟三维人体模型引入仿真研究流程，能够得到具备切实参考意义的力学实验数据支撑外骨骼设备的机械、人因设计。将外骨骼设备作为研究目标，引入计算机辅助设计，于虚拟环境中模拟偏瘫患者穿戴外骨骼设备的形态，呈现的形态作出仿真校定和评估。由实验结果可知，外骨骼设备整机布局满足设计需求，在CATIA人类工效学功能实验下设置的外骨骼关节活动区间契合人体运动学，能够有效减轻恢复锻炼时的肢体疲惫感，保障患者在使用外骨骼设备时感觉舒适。