摘要：為解決對(duì)外骨骼穿戴舒適度及造型設(shè)計(jì)研究不足的問(wèn)題，文章從人體測(cè)量學(xué)、人體解剖學(xué)角度分析了影響下肢助力外骨骼設(shè)計(jì)的要素，然后根據(jù)外骨骼中的人機(jī)工程學(xué)因素明確了基于人機(jī)工程學(xué)的人體外骨骼的造型設(shè)計(jì)原則，最后闡明了人體外骨骼靜態(tài)尺寸與動(dòng)態(tài)尺寸的設(shè)計(jì)思路。以期提高外骨骼穿戴舒適度，為相關(guān)研究提供思路。

　　關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué);下肢助力外骨骼;造型設(shè)計(jì)

　　下肢助力外骨骼是一種包覆在人體外部，用于提升人體機(jī)能的帶動(dòng)人體活動(dòng)的機(jī)械裝置。其結(jié)構(gòu)通常由背部裝載能源的置物架、髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、大腿連桿、小腿連桿、踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、大、小腿連桿及踝關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)器、可檢測(cè)足底壓力的壓力鞋組成。美國(guó)、日本等多個(gè)國(guó)家已將其應(yīng)用到軍事、民用等多個(gè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始將之投入到民用領(lǐng)域進(jìn)行物品搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)，發(fā)展前景良好。

　　美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)外骨骼的研究起步于2000年，已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，從單純的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)研究發(fā)展到市場(chǎng)化產(chǎn)品階段。國(guó)內(nèi)對(duì)外骨骼的研究主要集中于控制策略、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，對(duì)外骨骼舒適度、造型設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題關(guān)注較少，且學(xué)者對(duì)舒適度的研究也多從運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)入手，主要集中于增強(qiáng)人機(jī)契合度、實(shí)現(xiàn)穿戴外骨骼步行時(shí)更加平順的方向，而對(duì)外骨骼穿戴的舒適度與外骨骼的美觀度研究較少。外骨骼穿戴的不舒適與造型的不優(yōu)美可能會(huì)影響到穿戴者的生理及心理上的體驗(yàn)與安全。

　　1人機(jī)工程學(xué)概述

　　人機(jī)工程學(xué)是一門(mén)研究與人相關(guān)因素，確保人的健康、安全和舒適等問(wèn)題的學(xué)科。“以人為本”是人機(jī)工程學(xué)的核心思想，而人、機(jī)、環(huán)境因素及三者間關(guān)系是人機(jī)工程學(xué)的研究重點(diǎn)。以人的生理與心理因素為基礎(chǔ)研究機(jī)器與工作環(huán)境的功能與造型設(shè)計(jì)的合理性、安全性，是人機(jī)工程學(xué)研究的主要內(nèi)容。

　　2基于人機(jī)工程學(xué)的下肢助力外骨骼造型設(shè)計(jì)意義

　　由于下肢助力外骨骼包覆于人體外部、隨動(dòng)于人體的特性，為使其能更好地適應(yīng)人使用，引入人機(jī)工程學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)可以更好地對(duì)下肢助力外骨骼中人的因素加以考慮，提升穿戴外骨骼時(shí)的舒適度。且運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)方法設(shè)計(jì)下肢助力外骨骼也能達(dá)到規(guī)劃其造型比例的目的，外骨骼的形態(tài)和活動(dòng)規(guī)律與人體形態(tài)比例和活動(dòng)規(guī)律相近，這種比例可精準(zhǔn)傳遞自然的美感，增加人的舒適感，從而提升人對(duì)外骨骼的認(rèn)同感。因此，對(duì)下肢助力外骨骼中的人機(jī)工程學(xué)因素進(jìn)行分析是外骨骼造型設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。

　　3下肢助力外骨骼中的人機(jī)工程學(xué)因素

　　人機(jī)工程學(xué)包含的理論十分廣泛，其中影響下肢助力外骨骼設(shè)計(jì)的主要人機(jī)因素有人體測(cè)量學(xué)、人體解剖學(xué)。人體測(cè)量學(xué)決定了外骨骼的靜態(tài)尺寸設(shè)計(jì)，人體解剖學(xué)決定了動(dòng)態(tài)尺寸的設(shè)計(jì)。

　　3.1人體測(cè)量學(xué)

　　人體測(cè)量學(xué)是通過(guò)測(cè)量人體局部與整體的尺寸數(shù)據(jù)來(lái)探討人體特征的科學(xué)，可提供人體相關(guān)數(shù)據(jù)。研究人體測(cè)量學(xué)的目的是確定外骨骼產(chǎn)品的具體尺寸數(shù)據(jù)，以保證產(chǎn)品尺寸的設(shè)計(jì)能夠符合人的生理特征，使人處與舒適狀態(tài)。

　　為保證不同人群在規(guī)劃產(chǎn)品尺寸時(shí)使用的人體測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、嚴(yán)謹(jǐn)，國(guó)家通過(guò)測(cè)量全國(guó)各個(gè)地區(qū)的人的身體尺寸總結(jié)制定了涵蓋立姿、坐姿狀態(tài)下多項(xiàng)成年人體尺寸數(shù)據(jù)《GB 10000-1988中國(guó)成年人人體尺寸》以供參考，此外還制定了《GB/T 12985-1991在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則》，根據(jù)不同產(chǎn)品類型對(duì)人體尺寸百分位數(shù)的選用給出了建議。

　　3.2人體解剖學(xué)

　　人體解剖學(xué)是專門(mén)研究健康人體結(jié)構(gòu)形態(tài)的學(xué)科。其中，骨、關(guān)節(jié)、肌三者總重占人體總重的60%，是人體解剖學(xué)研究的重點(diǎn)之一。關(guān)節(jié)形態(tài)限制肢體活動(dòng)方向與活動(dòng)限度、與之連接的骨在支撐人體的同時(shí)保證人體完成相應(yīng)活動(dòng)，肌肉附著在骨與關(guān)節(jié)上與韌帶共同作用，帶動(dòng)骨與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、限制人的活動(dòng)范圍。上述研究可以總結(jié)出人體各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)方向、歸納出活動(dòng)時(shí)人體的動(dòng)態(tài)功能尺寸，作為下肢助力外骨骼動(dòng)態(tài)尺寸的設(shè)計(jì)參考。

　　在人體解剖學(xué)中，將關(guān)節(jié)按自由度不同分為單軸關(guān)節(jié)、雙軸關(guān)節(jié)、多軸關(guān)節(jié)。單軸關(guān)節(jié)僅有一個(gè)自由度，雙軸關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，多軸關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度。應(yīng)根據(jù)肢體部位的特征設(shè)計(jì)下肢助力外骨骼的各個(gè)關(guān)節(jié)自由度。由于人體的活動(dòng)受到肌肉與韌帶的影響，其活動(dòng)范圍存在一定限度的，超過(guò)限度將會(huì)造成人體損傷。外骨骼動(dòng)態(tài)尺寸限值應(yīng)與人體活動(dòng)限度范圍相合，文獻(xiàn)[5]給出了較為詳細(xì)的人體重要活動(dòng)范圍和身體各部舒適姿勢(shì)調(diào)節(jié)范圍，可作為外骨骼動(dòng)態(tài)尺寸的設(shè)計(jì)依據(jù)。

　　4基于人機(jī)工程學(xué)的下肢助力外骨骼造型設(shè)計(jì)原則

　　在明確外骨骼中的人機(jī)工程學(xué)因素后可總結(jié)出以下外骨骼造型設(shè)計(jì)原則：

　　4.1安全性原則

　　安全性原則是供人使用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本原則，外骨骼作為長(zhǎng)時(shí)間包覆在人體上的機(jī)械裝置，更應(yīng)保證人體不會(huì)因外骨骼自身原因受到損害，這就需要正確規(guī)劃外骨骼的結(jié)構(gòu)尺寸與活動(dòng)范圍避免其成為人體活動(dòng)的阻礙，此外，在外骨骼造型上，應(yīng)盡可能避免設(shè)計(jì)尖銳棱角和棱邊，防止人因與外骨骼發(fā)生磕碰而導(dǎo)致?lián)p傷。

　　4.2舒適性原則

　　舒適性原則是在安全行原則的基礎(chǔ)上提出的，其目的是保證人穿戴外骨骼的舒適。外骨骼與人體緊密連接，在條件允許的情況下，下肢助力外骨骼的靜態(tài)尺寸設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能參考人體尺寸與人體運(yùn)動(dòng)方式，提升人與外骨骼的人機(jī)協(xié)同能力，從而達(dá)到減輕人體負(fù)擔(dān)的目的。

　　4.3通用性原則

　　通用性原則是基于人機(jī)工程學(xué)“以人為本”的設(shè)計(jì)原則提出的，目的是保證外骨骼能夠在不進(jìn)行改裝的情況下能滿足多數(shù)人的使用。

　　5基于人機(jī)工程學(xué)的下肢助力外骨骼造型設(shè)計(jì)思路

　　5.1下肢助力外骨骼靜態(tài)尺寸設(shè)計(jì)

　　下肢助力外骨骼作為與人體密切相關(guān)的工業(yè)產(chǎn)品，根據(jù)安全性原則與舒適性原則，其靜態(tài)尺寸應(yīng)根據(jù)成年人人體尺寸特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。外骨骼需確定的靜態(tài)尺寸因素有大、小腿連桿長(zhǎng)度、壓力鞋大小、髖關(guān)節(jié)寬度，影響上述因素尺寸設(shè)計(jì)的人體尺寸有大、小腿長(zhǎng)、足長(zhǎng)與足寬、臀寬等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，可通過(guò)查閱GB 10000-1988明確不同百分位數(shù)上的數(shù)據(jù)尺寸。下肢助力外骨骼靜態(tài)尺寸對(duì)百分位數(shù)的選取可參考GB/T 12985-1991，根據(jù)通用性設(shè)計(jì)原則，為提高外骨骼的普遍適用性，將下肢助力外骨骼定位為男女通用產(chǎn)品，使用雙限值設(shè)計(jì)，視情況選取男性、女性第95百分位數(shù)、第5百分位數(shù)上的數(shù)據(jù)作為上、下限值依據(jù)。固定尺寸的外骨骼仍無(wú)法滿足多數(shù)人需求，引入人體尺寸應(yīng)用原則中的可調(diào)性設(shè)計(jì)原則可解決尺寸單一的問(wèn)題。人體尺寸數(shù)據(jù)一般特征是處于同一百分位數(shù)中男性尺寸數(shù)據(jù)大于女性，外骨骼靜態(tài)尺寸通常選擇女性第5百分位數(shù)作為下限值、男性第95百分位數(shù)作為上限值，但由于男女身體生理結(jié)構(gòu)差異，女性臀寬尺寸大于男性，此時(shí)選擇男性第5百分位數(shù)作為下限值、女性第95百分位數(shù)作為上限值。下肢外骨骼通常在穿著鞋襪的情況下使用，此時(shí)人對(duì)壓力鞋合腳程度敏感度降低，對(duì)壓力鞋尺寸精度要求不高，可僅考慮使用單限制大尺寸設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，將男性第95百分位數(shù)數(shù)據(jù)作為上限值，不使用可調(diào)設(shè)計(jì)。根據(jù)GB 10000-1988中的成年人人體尺寸數(shù)據(jù)，依照文中所述尺寸選取方式設(shè)計(jì)外骨骼的靜態(tài)尺寸數(shù)據(jù)，總結(jié)出下肢助力外骨骼靜態(tài)尺寸限值取值如表1：

　　5.2下肢助力外骨骼動(dòng)態(tài)尺寸設(shè)計(jì)

　　根據(jù)安全性原則、舒適性原則要求，下肢助力外骨骼的動(dòng)態(tài)尺寸應(yīng)根據(jù)人體解剖學(xué)中的關(guān)節(jié)特征、關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍確定。下肢助力外骨骼活動(dòng)關(guān)節(jié)主要有髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)，可將三者與人體的這三個(gè)關(guān)節(jié)一一對(duì)應(yīng)。由于髖關(guān)節(jié)是多軸關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)是單軸關(guān)節(jié)，因此在外骨骼關(guān)節(jié)自由度設(shè)計(jì)時(shí)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)自由度設(shè)計(jì)分別為：3、1、1。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，獲取健康成年人體的活動(dòng)方向與活動(dòng)范圍信息，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)外骨骼的活動(dòng)方向與活動(dòng)范圍，外骨骼各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍尺寸設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。其中活動(dòng)時(shí)接近人體軀干為“+”、遠(yuǎn)離軀干為“-”。

　　6結(jié)語(yǔ)

　　論文以增強(qiáng)外骨骼穿戴的舒適性和提升造型美觀度為目的，提出運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)理論設(shè)計(jì)下肢助力外骨骼的方法。闡明了人體測(cè)量學(xué)與人體解剖學(xué)對(duì)外骨骼設(shè)計(jì)的重要性，確定了下肢助力外骨骼造型設(shè)計(jì)的三項(xiàng)原則，應(yīng)用該原則解析下肢助力外骨骼靜態(tài)尺寸與動(dòng)態(tài)尺寸的設(shè)計(jì)，給出外骨骼靜態(tài)與動(dòng)態(tài)尺寸設(shè)計(jì)的具體數(shù)據(jù)。運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原則設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品造型的方法不僅適用于助力外骨骼的設(shè)計(jì)，還可應(yīng)用于任何與人體相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，為改善其他產(chǎn)品的使用舒適度、設(shè)計(jì)產(chǎn)品造型比例提供方向。

　　推薦閱讀：人機(jī)工程學(xué)的偏心連接件改良設(shè)計(jì)研究