基于系统语境下的儿童康复机器人CMF设计研究

颜海 余莹 孙岳

摘 要：本研究基于系统语境下，探究儿童康复机器人CMF设计的关键要素与模型构建。通过构建CMF设计模型，综合规划色彩、材料和表面工艺等内在要素，以可用性、实用性和赞许性等外围约束筛选条件，旨在打造符合儿童心理与生理特点的外骨骼式康复机器人。研究发现，CMF设计的精妙运用不仅能提升产品的美观度，更能增强儿童与机器人的情感联系，从而提高康复效果。本研究初探为儿童康复机器人设计新视角和方法，也展现了CMF设计在复杂康复机器人产品中广阔应用前景，为儿童康复机器人设计注入了更多人文关怀和实用价值。

關键词：CMF设计；儿童康复机器人；儿童康复；康复助行

Abstract： Based on the system context， this study explores the key elements and model construction of CMF design of children rehabilitation robot. By constructing the CMF design model， comprehensively planning the internal elements such as color， material and surface technology， and screening the conditions with peripheral constraints such as usability， practicability and approbation， the purpose is to create an exoskeleton rehabilitation robot that conforms to childrens psychological and physiological characteristics. The study found that the subtle use of CMF design can not only improve the aesthetics of products， but also enhance the emotional connection between children and robots， so as to improve the rehabilitation effect. This study explores a new perspective and method for the design of children rehabilitation robot， and also shows the broad application prospect of CMF design in complex rehabilitation robot products， injecting more humanistic care and practical value into the design of children rehabilitation robot.

Keywords： CMF design；children rehabilitation robot；children exoskeleton；aid walking for re-habilitation

0 引言

脑性瘫痪（Cerebral Palsy， CP）是一种在胎儿或婴幼儿发育过程中，由脑部损伤病变引发的疾病。该病常伴随着运动、姿势、认知和发育迟缓等多种功能障碍，从而成为儿童残疾的主要原因之一。据统计，我国现存脑瘫患者约600万人，其中不满12岁的脑瘫患儿约有180万人，且每年新增患者量约5万人[1]。随着年龄的增长，脑瘫患儿的体重增加和肌力衰退会进一步加剧运动能力障碍的恶化，大约50%的脑瘫患儿在后期会丧失行走能力[2]。尽管政府和医疗机构已经在儿童康复体系建设和服务网络的完善方面做出了显著的努力，但由于脑瘫患儿需求的多样性、医疗资源的供需失衡以及救助途径的相对单一，脑瘫患儿获得有效康复服务的难度仍然不容忽视[3]。康复机器人作为智能化康复治疗手段，对改善患者肢体功能障碍具有独特优势，该类型产品能够减轻康复治疗师的工作强度与根据脑瘫患儿个体差异提供个性化的治疗方案，康复机器人为脑瘫患儿的康复开辟了新的通路[4]。

1 儿童康复机器人现状

1.1 儿童康复机器人类型

康复机器人在康复医学中的应用已日益广泛，但专门针对脑瘫患儿的产品仍显不足。这主要归因于我国儿童康复学科建立起步晚、探索期限短、行业人才缺及医工合作少，导致国内儿童康复机器人发展的相对滞后。然而，随着近年医工结合的快速推进，康复机器人取得了显著突破，其应用范围也逐渐从成人拓展至儿童[5]。儿童康复机器人以其独特的互动性、趣味性和个性化特征而脱颖而出，这类机器人能够通过吸引儿童的注意力，营造轻松愉快的康复环境，从而有效促进儿童的康复训练参与度和积极性。同时，它们还能为医生和治疗师等专业人群提供有力的辅助工具，针对儿童的具体情况制定个性化的训练方案提升训练效果，加速康复进程。目前市场上，康复机器人主要可分为以下几类：

（1）蹬踏轮车型

德国RECK Technik公司的MOTOmed系列为代表（图1），该系列包括多款针对病患肢体训练的产品。例如，MOTOmed letto2 for kids（图1左）专为卧床式下肢训练设计，而MOTOmed gracile12（图1右）则可实现上下肢联动训练。这类机器人能够模拟椭圆运动轨迹，进而锻炼儿童肌力，但对于步行姿态的矫正效果有限。

（2）固定步行型

通常指减重步行机器人，其发展已相对成熟。例如，瑞士Hocoma公司的Lokomat Pro儿童版下肢康复机器人（图2），配备减重悬吊装置、跑台和机械腿等部件，可协助脑瘫患儿进行步行训练，并结合互动屏幕提供虚拟漫游体验。然而，这类机器人通常体积庞大、转运困难，且对场地要求较高，因此在国内医院和特教学校的应用受到一定限制。

（3）移动步行型

目前以外骨骼为代表的新型康复机器人（图3）成为研究热点，如加拿大的Trexo外骨骼（图3中）和国内的杭州程天科技的KidGo外骨骼（图3右）。Trexo采用自研外骨骼组装美国Rifton的Pacer助行器（图3左）使用，主要面对家庭定制。KidGo外骨骼考虑儿童成长与医院场景应用，依据青少年人机工学设计适配身高范围：0.8m—1.6m，体重范围70kg—100kg，实现绝大多数儿童体征适配。KidGo外骨骼机器人适用于因大脑、神经、脊髓、肌肉或骨骼疾病导致的步行功能障礙的儿童患者进行步行康复训练，该机器人具有大量、重复和标准化等特点，有助于促进神经变化和运动功能改善[6]。

笔者实际调研过程中发现，国内儿童康复机构中先进康复机器人类产品较少，而传统康复器械又不能满足脑瘫患儿的实际多元需求。康复机器人自身仍存在较多问题需要探索解决，我国儿童康复机器人产品市场存在较大的缺口和发展空间。

1.2 康复机器人现存问题

目前，脑瘫的治疗在医学界仍无特效药物，这意味着大多数情况脑瘫患儿因病伴随终身疾病。在这样的背景下，物理治疗中的运动疗法对改善脑瘫患儿异常姿态显得尤为重要，而康复机器人的主要作用便是提供丰富的步态模式缓解和改善脑瘫患儿的下肢运动功能问题。尽管康复机器人具有显著的优势，但在实际应用中除技术问题外，仍面临一系列挑战急需解决：

（1）学习成本较高

相关调查显示，康复及特殊教育机构的人员对康复机器人的了解程度有限，了解人员占比仅为9.2%[7]。源于康复机器人的设计开发过程，与机构、家长和儿童之间的沟通交流不足，这导致设备操作困难、交互逻辑复杂，增加了使用者的学习难度。这种缺乏用户思维的设计，成为产品推广的一大障碍。

（2）设备体积较大

为确保稳定性，康复机器人通常体积较大，这在一定程度上限制了其使用场景。部分设备甚至需要嵌入水泥地面，尤其是在我国老旧医院适配场地本身稀缺难以满足。近年来，外骨骼式可移动康复机器人的兴起，有望逐渐取代传统固定式机器人。其仿生设计、轻巧结构和便携性，更适合儿童训练与不受限于狭小空间。

（3）配合依从性低

儿童在认知能力发展阶段往往难以集中注意力，这严重影响了康复效果。传统训练方法单调乏味，缺乏有效的反馈与奖励机制，导致儿童难以坚持。相比之下，康复机器人应当通过多形式与多感官的交互训练，激发儿童的参与兴趣和专注力。值得注意，市面上大多数机器人仍呈现的是机械硬朗的风格与冰冷配色，这在一定程度上引发了儿童及家长的抗拒心理，是造成康复训练依从性低的关键前置因素。

面对这些挑战，设计者们开始重新审视康复机器人的设计理念。其中，CMF设计（色彩、材料、表面工艺）作为产品设计的必要组成部分，逐渐显现出其在康复机器人设计中的重要作用。通过优化色彩搭配、选择更具亲和力的材料，以及改善表面处理工艺，不仅可以降低儿童及其家长对设备的抗拒心理，提高训练依从性，还能为儿童创造一个更加舒适、愉悦的康复环境。将CMF设计融入儿童康复机器人的开发中，不仅是对技术的补充，更是对人性化关怀的体现。

2 CMF设计系统机理

2.1 CMF设计系统属性

CMF设计，从词义构成分别由Color（色彩）、Material（材料）和Finishing（表面工艺）三个英文单词首字母组成的缩写，虽然在日常生活中鲜为人知，但在产品设计领域却具有举足轻重的地位[8]。CMF设计旨在建立产品与人的感官系统之间的情感联系，通过色彩、材料和表面工艺三种关键要素的精妙搭配，实现性能、成本和用户需求的和谐统一。近年来随着市场的不断细分和用户需求的多样化，单纯的造型设计已无法满足用户的深层次情感需求。CMF设计以系统性的理念，通过精心搭配色彩、材料及表面工艺方式，为产品注入了别具一格的魅力和个性。CMF设计从传统工业设计中分野而出，成为独立且关键设计环节。康复机器人产品设计作为一个融合了技术与艺术的复杂系统工程，其成功与否往往取决于多个因素的综合作用。系统科学为产品设计提供理论基础[9]，而以系统视角实施CMF设计则能有效地开展产品设计工作。

在儿童医疗类型产品设计中，CMF设计的应用具有至关重要的系统性属性。鉴于儿童这一特殊用户群体的生理和心理特点与成人迥异，在康复机器人的设计中必须充分考虑儿童的独特性和成长过程中的挑战。如诺曼在《情感化设计》中所阐述的，通过本能层、行为层和反思层三个层次的设计，能有效激发儿童的兴趣，并提升他们的使用体验和满足感。特别是在本能层，即感官体验层面，CMF设计发挥着不可替代的作用。它通过精心选择和搭配色彩、材料及表面处理工艺，为儿童创造出富有吸引力和亲和力的产品外观，从而满足儿童的视觉感官需求。为了更好地实现这一目标，康复机器人的设计应基于系统分析的理念进行规划。首先，需要确保产品的技术性能、安全性和易用性达到最优水平。其次，确定造型设计基础上运用CMF设计，可以进一步提升产品美感和情感价值，使其更加符合用户的审美需求和使用习惯。最后，深挖儿童用户的需求和特点，利用CMF设计的系统属性，为他们打造出更加贴心、有趣且易于接受的康复机器人产品。

2.2 CMF设计模型建构

在系统语境下，CMF设计需要综合考虑“色彩”“材料”和“表面工艺”三要素之间的内在联系与相互影响。通过解构与分析这三要素，可以揭示它们之间的深层规律和相互关系，为儿童康复机器人的设计提供坚实的模式参考和实践指导。同时，CMF设计也需要关注用户需求、市场趋势和技术发展等多方面因素，在可生产条件下确保设计出的产品能够真正满足儿童用户的需求和期望。在构建CMF设计模型时（图4），色彩、材料和表面工艺作为内在要素进行综合评估与选择。通过筛选适合的使用方案，确保设计出的儿童康复机器人在视觉上吸引人、触感上舒适、情感上贴近儿童。在这一过程中，评估应遵循关键准则进行外围约束，充分考虑CMF的可用性、实用性和赞许性作为筛选方案的限制因素。CMF设计模型中内在要素是CMF设计模型关键与特性选择。基于儿童康复机器人的特性要求，从色彩、材料和表面工艺进一步分析论证：

（1）色彩方面

儿童对于色彩的感知较成人更为敏感和直观，康复机器人的色彩选择要注意儿童对于色彩的阶段性特征。一般而言， 3—6岁以上的儿童比较喜欢明快、活泼的色彩[10]。明快的色彩能够吸引儿童的注意力，激发他们的好奇心和探索欲望，但过于鲜艳的色彩也可能会对儿童的视觉和心理造成不良影响。因此，在儿童康复机器人的设计中，色彩的选择需要兼顾审美和功能性，既要吸引儿童，又要避免过度刺激。从系统视角来看，色彩选择需要关注物理属性、心理效应和文化象征等多个方面，并且需要考虑色彩与材料、工艺的搭配。通过调整色彩纯度和明度创造出丰富多样的色调，进而促进产品形象的塑造[11]。

（2）材料方面

儿童医疗产品选材应首要考虑安全性、亲肤性及生物相容性，特别是与儿童身体直接接触的材料。选材时，要关注材料的力学、物理属性、化学成分及可持续性。同时，需注重材料与色彩、工艺的结合，以优化产品体验。康复机器人等儿童医疗产品，其设计需综合考虑性能、成本和环境影响。选材的合理性直接关系到儿童的安全与健康，因此必须严谨细致，确保最终产品既安全又贴心。其在系统语境分析下应当连同诸要素应通盘考虑，如色彩应用于实体材料表面时，表面的粗糙度、光泽度和透明度等因素会对色彩的感觉维度体验产生影响[12]。

（3）表面工艺方面

优质的表面工艺能够提升产品的整体质感和美观度。在儿童康复机器人的设计中，表面工艺的选择需要考虑到产品的使用环境和使用频率。通过合理的表面工艺，可以提高产品的耐磨性、耐腐蚀性和易清洁性，从而延长产品的使用寿命，实现CMF设计对产品质量、成本和生产效率的积极影响。在系统语境下，工艺研究需关注制造过程的物理、化学和生物学原理，以及工艺的可行性、经济性和环境影响等多方面，并兼顾工艺与色彩、材料的匹配。

综上所述，CMF设计在儿童康复机器人设计中发挥着至关重要的作用。通过色彩、材料和表面工艺互为关联与反应，设计师可以创造出符合儿童生理和心理特点的产品，满足他们的情感需求。CMF设计也需要综合考虑多个因素，包括用户需求、市场趋势、合规要求和技术发展等，以确保设计出的产品既安全又实用，还能带来愉悦的使用体验。

3 儿童外骨骼CMF设计

3.1 CMF设计分析与规划

以KidGo外骨骼作为儿童康复机器人设计实践基础，CMF设计前置需要是识别关键用户角色、产品使用场景，进而梳理CMF设计要素要求（图5）。先对产品设计的用户角色进行梳理，用户角色可分为医生/教师（特殊教育学校）、患儿家属及脑瘫患儿3种类型用户角色，用户对于产品的实际使用场景可分机构与家庭2种。基于用户基本需求梳理CMF設计关键，如CMF应当取满足男孩和女孩认同最大公约数设计、表面易于打理、儿童风格应当取意健康勇敢、色彩铭牌、材质亲肤避免伤害等。进一步详细梳理CMF设计3要素的具体要求：

色彩搭配：人类获取信息83%来自视觉，11%来自听觉。来自视觉的信息，色彩信息占据大的比例，色彩意识深入意识的基层[13]。儿童对色彩的感知与成人大相径庭，他们通常被鲜艳、活泼的色彩所吸引。因此，在设计KidGo外骨骼时，采用了明亮且富有活力的色彩组合。同时，考虑到医生和家属的审美需求，色彩搭配也力求和谐、专业。考虑机构与家庭的使用场景，外骨骼主体配色采用白色为主，黑色为辅的配色构成，满足医院场景下的专业性。外部支撑框架采用蓝色、橘色和黄色这种性别喜好中立的色彩，以及明度纯度较高尽显活泼的色彩，以满足男女孩喜好的最大公约数，营造积极健康的氛围感。

材料选择：由于儿童皮肤娇嫩，对材料的敏感性较高。KidGo外骨骼采用了触感柔软、无刺激性的材料，如毛呢布料和透气网孔布，确保患儿在使用过程中感到舒适。布料主体选择黑色易打理，周边采用与设备框架相同色彩进行点缀呼应，其次再传递穿戴交互的设计指引。外骨骼主机壳体考虑足够的强度和耐久性，以满足长期使用的需求。外骨骼壳体采用ABS工程塑料，框架采用钢材与铝合金的组合形式。

表面工艺：外骨骼表面采用细磨砂的接触质感，在表层喷涂防护漆增加表面的耐磨性和抗刮性。外部支撑框采用喷塑作为基底层防止金属生锈；中间层采用汽车级车漆并加入珠光颗粒，使得产品在光线较好场景下光泽感与色彩明快程度进一步提升；并在漆面层增加动物图样图案，最终选择狮子代表勇敢与小鹿代表成长，寓意设计者对脑瘫患儿康复成长的关爱寓意（图6）；最外层采用树脂涂料，保持彩色长期的光泽与表面的防护。

此外，质感在儿童外骨骼的设计中也扮演着重要角色。质感在本质上反映了事物构成方式、结构和由此产生的印象[14]。质感不仅能提升产品的美观度，还能增强其与使用者的情感联系。在KidGo外骨骼的设计中，特别注重通过不同的材料和表面工艺技术来创造出丰富的质感体验。例如，通过结合粗糙与细腻的表面纹理，为患儿提供了更加自然和亲近的使用感受。

3.2 CMF设计方案与应用

在深入探究儿童外骨骼的设计过程中，洞察CMF设计在提升儿童康复治疗配合度与疗效方面的隐性影响作用。鉴于儿童这一特殊用户群体在生理、心理及产品感知反应上与成人的显著差异，针对儿童的CMF设计更显精细与考究必要。基于系统语境对儿童外骨骼类型康复机器人进行色彩搭配、材料选择与表面工艺的内在要素方案规划，结合CMF设计模型外围约束控制，旨在确保设计方案的全面性与实用性。通过深入剖析儿童与关系角色的心理与生理特质，以及他们在康复过程中的实际需求与操作习惯，我们提出了一套契合儿童特性的CMF设计方案（图7）。

该方案在色彩运用与表面工艺处理上注重明快与活泼的调和，有效吸引儿童的视觉注意力，从而增强他们与康复机器人的互动意愿。同时，在材质选择上强调舒适性与安全性的双重考量，力求为儿童营造一个愉悦且信赖的使用环境。CMF设计的应用在兼顾男孩与女孩的心理特性，清新可爱的设计方案提升脑瘫患儿训练依从性从而改善康复过程。在医院实际使用，受到治疗师、家属及儿童的认可与喜爱。并且，方案以“儿童外骨骼步行训练器” 在境内医疗器械注册与备案，实际产业应用也取得积极反馈获得央视等媒体相关报道。

4 结语

在系统语境的框架下，儿童康复机器人的CMF设计研究展现了其独特的价值和意义。本研究深入探讨了色彩、材料和表面工艺三大要素如何共同作用于儿童康复机器人的设计之中，以提升其用户体验和治疗效果。认识到，色彩不仅关乎美学，更直接影响儿童的情绪和康复动机。明亮、活泼的色彩能够引发儿童的积极反应，增强他们与机器人的互动意愿。同时，材料的选择直接关系到儿童的安全感和舒适度，亲肤、无毒、耐用的材料是首选。此外，表面工艺技术的运用，如防滑、耐磨等，进一步延长产品的使用寿命。

由于CMF设计在康复机器人领域的应用尚处于起步阶段，其发展潜力值得进一步挖掘。为此，建议可以从三个方面着手推进：首先，拓展CMF设计的应用范围。不必局限于康复机器人这一领域，我们可以积极探索其在更广泛的儿童医疗产品中，让CMF设计的魅力惠及更多儿童。其次，加强跨学科合作与交流。通过引入更多先进的设计理念和技术手段，可以进一步丰富CMF设计的内涵，提升其设计水平和实用价值。最后，关注新兴材料的发展动态。及时将最新的材料和工艺纳入研究中，为儿童康复机器人的设计注入新的活力，推动其不断创新发展。CMF设计将在儿童康复领域发挥更加重要的作用，为儿童的健康成长贡献设计力量。

5 参考文献

[1]张亦语，袁海虹.医院-社区-家庭-学校一体化脑瘫康复模式研究[J].医学信息，2022，35（06）：21-23.

[2]RIES A J，SCHWARTZ M H.Low gait efficiency is the primary reason for the increased metabolic demand during gait in children with cerebral palsy[J].Human Movement Science，2018（570）：426-433.

[3]張浩淼.中国残疾儿童康复救助：演进历程·路径特征与制度化建设[J].社会保障评论，2023，7（03）：106-120.

[4]范玫杉，陈春杰，王灿，等.脑瘫儿童康复助行外骨骼机器人研究与展望[J].仪器仪表学报，2023，06（44）：1-10.

[5]SHANG Z，YAN H，WANG T.The Development of Assistive Device for Active Lower Limb Rehabilitation Training[C].Proc SPIE Int Soc Opt Eng：vol.12244.Guilin，China：SPIE，2022：284-290.

[6]唐心意，喻洪流，李慧，等.脑性瘫痪儿童下肢康复机器人研究现状与展望[J].中国康复医学杂志，2022，07（37）：971-976.

[7]高少华，周静，王勇丽，等.宁波市特殊儿童康复机构现状调查[J].中国听力语言康复科学杂志，2020，03（18）：226-228.

[8]李亦文，黄明富，刘锐.CMF设计教程：产品色彩·材料·工艺·图纹创新设计方法[M].北京：化学工业出版社，2019.

[9]何昭.系统论在工业设计中的应用研究[J].美与时代，2007（08）：68-70.

[10]罗仕鉴.儿童产品设计[M].北京：机械工业出版社，2011.

[11]韩璘，谢柳，兰心蕊，等.色彩造型在产品设计中的作用及应用研究[J].流行色，2023（04）：79-81.

[12]左恒峰，苏华.论CMF的主观体验：色彩[J].设计艺术研究， 2017，7（06）：29-35+48.

[13]宋建明.问学色彩之道[M].南京：江苏凤凰出版社，2023.

[14]左恒峰，严扬.论CMF的主观体验：材质[J].装饰，2017（08）： 118-121.