用于下肢辅助行走的外骨骼产品设计研究*

朱 瑶，钟安棋，阮琪晖，李 享，邓祥龙，张 红

(长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023)

0 引言

2021年第七次全国人口普查数据表明：截至2020年底，60岁及以上人口占中国人口总数的18.70%，比2010年人口普查结果增长了5.44%，老龄化程度加深[1]。老年人在年龄增长的同时，下肢逐渐“老化”，是除事故致残人口外另一潜在的下肢残障群体。在当今提倡健康中国的社会背景下，对用于辅助下肢行走的产品进行研究，实现下肢残障人士独立生活的需求，能够有效减轻家庭及社会保障的压力[2]。随着产品设计趋于智能化、人性化，综合机械设计、工业设计等多学科知识进行仿生设计的外骨骼助行产品研发越发成熟，全球外骨骼市场规模在2020年达到了360百万美元[3]，可见提升外骨骼产品的实际应用价值极有利于国家经济发展。

1 外骨骼产品概述

韩亚丽等[4]将下肢辅助外骨骼定义为“是一种穿戴在人体下肢外部，对穿戴者下肢进行运动助力的仿生机器人，可实现穿戴者负重行走运动，也可用于助老助残”。国内外外骨骼产品如表1所示，在国外，美国和日本的外骨骼研发起步最早，如美国的BLEEX外骨骼、日本的HAL外骨骼等，甚至有一些产品已经投入使用，如美国XOS2外骨骼；其他国家也相继展开外骨骼技术研究，如韩国的GEMS-L外骨骼、欧盟研发的Mind Walker外骨骼等。在国内，外骨骼的研究起步相对较晚，典型的有WPAL外骨骼、HIT LEX外骨骼，其中上海傅利叶Fourier X2是我国第一个实现落地并大批量生产的外骨骼产品。但当前各国对于外骨骼设计的研究重点为结合柔性材料、传感系统等技术改善外骨骼的人机协调问题，其他方面仍存在一定不足，如外观机械化、价格昂贵等，以至于外骨骼产品在市场、用户中普及还存在较大的局限性[5]。

表1 国内外外骨骼产品

2 用户特征及需求分析

当前用于下肢助力的外骨骼产品市场的目标用户一般为老年人等下肢行动不便的残障人群。结合李静等[6]的研究分析可以将“残障人群”视为存在生理功能缺陷导致活动受限、社交受阻的弱势人群，这类人群由于下肢功能存在一定障碍甚至缺失，行动能力不足，生活中通常需要借助下肢辅助产品；并且他们在自己面对行动受限甚至无法独立正常生活时，会感到自卑、焦虑，同时自尊心更强。根据该生理及心理特征，并通过马斯洛需求理论分析，总结出以下几点：①外骨骼产品的设计应注重造型美化、简化操作方式，选择合适材料以满足其生理需求；②保证质量、结构安全，以满足其安全需求；③提高人机交互能力，以满足其社交需求；④增强用户使用信心、保护用户自尊能力，以满足其尊重需求；⑤使其能够自主生活，以满足其自我实现需求。从用户的生理及心理特征需求出发进行产品设计，能够有效提升产品的实用性以及用户对产品的满意度[7]。

3 外骨骼产品设计思路

3.1 功能设计

根据产品功能可以将外骨骼产品分为主动助力式和被动牵引式。两者的主要功能均为辅助使用者站立行走，其中主动助力式外骨骼产品以电机作为动力源，为下肢关节提供行动所需能量；而被动牵引式外骨骼产品是通过其机构设计将使用者行走所需的部分力量转化为下肢迈步所需的力量[8]。通过文献分析等前期调研得出，当前外骨骼产品主要以用户为中心进行设计，实现产品功能满足用户需求。如图1所示，其基本功能结构为：①信号传感器收集肌电信号和脑电信号，通过传递激活用户信息，由控制装置控制产品动力装置启停；②下肢穿戴可调节骨架高度、围度的外骨骼产品，通过机构运作实现下肢可独立行走；③通过动力源转换能量传递至相关装置，实现产品正常工作。

图1 外骨骼产品功能结构

3.2 结构设计

外骨骼产品主要由骨架内机械结构支撑其整体及执行功能，根据人机匹配性原则，该结构应参考人体下肢结构进行设计。人的下肢行动主要依赖于髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节的配合运动，故目前外骨骼产品的整体结构一般包括髋关节固定结构、大腿肌肉包裹部分、膝关节换向及传动结构、小腿肌肉包裹部分、踝关节运转结构等部分。另外，在进行适应人体关节的外骨骼产品结构设计时，应综合考虑使用者生理及心理特征的特殊性、不同用户的差异性以及产品使用舒适度等，在各肌肉包裹部分长度、腿围等设计点增加可调节伸缩装置以增强产品的实用性和普适性[9]。

3.3 造型设计

通过结合当前多种外骨骼产品的设计研究进行分析，针对下肢残障人群进行外骨骼产品造型设计时，应以残障人群的生理及心理特征、外骨骼产品的使用舒适度及安全性、产品与人体的协调性等为设计依据，参照多数使用者的下肢形态特征进行造型仿生，通过与人体下肢相贴合的弧线及曲面设计柔化产品风格，避免过多直线或平面的使用以造成产品外观偏向机械化；产品色彩设计应避免艳丽的颜色造成用户情绪敏感，一般采用黑、白、灰等较为稳定的色彩作为主色调，同时可以采用醒目的红、黄色等作为点缀以增强警示作用[10]。

3.4 材质设计

材质是影响外骨骼产品整体质量和使用性能的主要因素[11]，在设计过程中，外骨骼产品中起受力支撑作用的主体部分应采用高强度、质地偏硬的材料；关节转折部分应采用耐磨性较好的材料，同时在使用过程中可以承受微小的形变；与人体下肢接触的表面部分一般采用无刺激性、亲肤的材料。在多种类型的材质中进行挑选时应尽量选用同等强度下质轻的材料，以解决当前多数外骨骼产品过于笨重的问题，特别是新技术与新材料出现后，超轻材料已经被广泛应用[12]。

4 结语

当前外骨骼产品的设计过程已趋于系统化，但随着老年人及残疾人等人群比例的上升，国家对养老助残行业的政策支持力度加大，国内骨骼产品发展面临的挑战增多且受到国外外骨骼产品偏技术研发的冲击，在保证功能实现的基础上，除关键技术外，创新性、易用性、人机协调性、安全性等共性应为我国外骨骼产品未来设计的重心。首先需要研发者对下肢残障人群能够充分了解，其次在产品功能、结构、造型、材质、交互形式、使用方式等方面以满足使用群体的生理及心理特征需求为主旨对其进行完善设计。本文根据调研分析提出的外骨骼产品设计思路对解决现行产品造型机械化、普适性差、人机匹配度低等问题有一定帮助，可为外骨骼产品的系统设计提供参考。