蘇 晨，張浩然，程 帥

(湖北工業(yè)大學 工業(yè)設計學院, 湖北 武漢 430068)

下肢外骨骼設備是與偏癱患者深度交互的產(chǎn)品，和人體數(shù)據(jù)及人類工效學彼此關聯(lián)[1-2]。偏癱患者實施全流程康復醫(yī)療后，一年之內(nèi)恢復生理自理能力比重占60%以上[3]。由于偏癱患者早發(fā)性比例逐步增加，輔助醫(yī)療產(chǎn)品確定為國家重點發(fā)展對象[4]。由于國內(nèi)在醫(yī)療外骨骼領域的實際研究中偏重功能性，造成偏癱患者在康復訓練中負荷增大，人機系統(tǒng)對于改善醫(yī)療質(zhì)量和患者安全至關重要[5]，據(jù)此提升偏癱患者在應用康復外骨骼設備時的舒適度越發(fā)關鍵。CATIA (computer aided three-dimensional interactive application，計算機輔助三維交互應用)人類工效學研究整合為4大功能：人體模型構建、人體尺寸編輯、人體運動分析、人體模型體態(tài)評價[6]。當前關于應用CATIA進行計算機輔助人類工效學的成果重點集中于交通工具設計開發(fā)方向，用以評估座椅舒適度、視線和肢體可達性[7-8]。相對在外骨骼設備開發(fā)方向的運用還停頓在依賴現(xiàn)有數(shù)據(jù)支撐[9-11]，為了解決現(xiàn)有難題，急需引進計算機輔助人類工效學設計來提升該學科虛擬模型尺寸精度，完善產(chǎn)品人機系統(tǒng)。

運用CATIA人類工效學分析功能，在外骨骼設備的三維模型中同步加載虛擬人體模型，創(chuàng)建虛擬人機裝配，參照偏癱患者在應用外骨骼設備時呈現(xiàn)的身體形態(tài)，作出人類工效學校定和評估，進而在外骨骼設備開發(fā)初期就針對偏癱患者的動作形態(tài)、人機交互、整機功能構成合理性及穿戴舒適度等進行仿真研究，優(yōu)化使用性能，提升外骨骼產(chǎn)品安全、效率和舒適度等功效，使偏癱患者在使用外骨骼設備時感覺舒適。

1 人機系統(tǒng)的構建

1.1 人體模型的建立

鑒于偏癱患者中男性患病比例高于女性，人體尺寸也較女性更為高大，且大多數(shù)穿戴型外骨骼裝備的舒適度分析都選用第50百分位 (中等體型)人體虛擬模型，以支持90%的適配度，故人機校定與評估分析擬選用第50百分位男性虛擬模型作為研究方向。

因CATIA不支持中國大陸虛擬人體數(shù)據(jù)，通過比較，中國臺灣的虛擬人體尺寸與中國大陸虛擬人體尺寸最為相似，故在選取中國臺灣人體模型基準上對照文獻[11]中的現(xiàn)有中國成年人人體數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)已設置的三維人體模型，年齡范圍選取36 ～ 60歲，令其精準度與真實度符合實驗需求。據(jù)此得到第50百分位的虛擬人體模型 (男性)完整參數(shù)為身高1 692 mm，站立會陰高度775 mm，站立手部離地高738 mm，站立膝部高為485 mm，站立臀部寬為318 mm等。

1.2 下肢康復外骨骼人類工效學設計

下肢康復外骨骼人類工效學分析的第1步是將偏癱患者作為研究對象，建立便于安全操作兼具較高身體適應性的完整運動環(huán)境，使偏癱患者獲取最好的臨床醫(yī)療適應性。通過一系列功能布局和造型相關研究，得出下肢康復外骨骼各功能模塊初步方案，如圖1所示。

圖1 外骨骼三維模型Figure 1 Exoskeleton 3D model

依照人體生理結構作出關節(jié)自由度分析[12]，身體下肢活動時的主動關節(jié)是髖關節(jié)、膝關節(jié)；被動關節(jié)是踝關節(jié)、髖關節(jié)外展。外骨骼設備設計過程中首要對髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的運動自由度及舒服程度這兩個核心點進行模擬分析。依據(jù)髖關節(jié)運動特性，設置彎曲、屈展、旋轉3個自由度；膝關節(jié)設置屈展一個自由度；踝關節(jié)與髖關節(jié)、膝關節(jié)協(xié)作運行，設置屈展、旋轉兩個自由度[13]。

下肢康復外骨骼設備關節(jié)運動軌道采納模仿人體結構進行設計關節(jié)運動限位裝置。外骨骼設備的關節(jié)限位需要比健康人體偏小，尤其是髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的延伸區(qū)域，保障偏癱患者不被來自外骨骼的傳動力操縱。基于已建立的虛擬假人模型開展康復外骨骼設備的人類工效學研究，如圖2所示。

圖2 下肢康復外骨骼人機工程分析Figure 2 Ergonomics analysis of lower extremity rehabilitation exoskeleton

外骨骼設備研發(fā)流程中和人體有嚴密干涉的部分必須留出充沛的冗余，減輕偏癱患者進行醫(yī)療訓練時顯現(xiàn)的疲乏感。設備間寬相比人體髖部間距必須充足，再者髖關節(jié)、膝關節(jié)長度限定可以依照人體結構任意調(diào)節(jié)，調(diào)整限度必須涵蓋90%的中國大陸人體范疇。由此，獲取外骨骼設備的功能性尺寸如下。寬度為404 mm，髖部高度可調(diào)區(qū)間介于293 ～368 mm，脛骨點高度可調(diào)區(qū)間介于375 ～ 478 mm，支撐桿長度為413 mm，可扭轉角度為146°。外骨骼關節(jié)運動角度為髖部135°、膝部160°、踝關節(jié)165°。

1.3 人機系統(tǒng)的建立

外骨骼設備尺寸依照人機工學和內(nèi)部結構確定。基于CATIA創(chuàng)建設備三維模型，經(jīng)過裝配設計功能將外骨骼設備模型和虛擬人體模型進行適配，利用人體形態(tài)分析功能形態(tài)修訂器對虛擬人體形態(tài)進行修訂并進行精確裝配，創(chuàng)建外骨骼設備人機系統(tǒng)虛擬模型，如圖3。模擬人機工學體系直接反映當前人機關聯(lián)，后續(xù)的人機工程校定及評估也具備了實驗基礎。

圖3 人機系統(tǒng)模型Figure 3 Man-machine system model

2 人機系統(tǒng)校核

相對下肢康復外骨骼，人體舒適度和設備穿戴時出現(xiàn)的壓迫力大小、視野可達性、運動便利度和平穩(wěn)度密切相關，因此非活動形態(tài)、活動形態(tài)、視野可達是對整體舒適度作用最關鍵的幾項參數(shù)。

2.1 人機干涉校核

應用CATIA人機分析功能干涉查驗器校定人機系統(tǒng)，出現(xiàn)干涉區(qū)域會以鮮明的紅色展現(xiàn)，反之說明人機系統(tǒng)不存在干涉部位。校定完成后，界面展示干涉提式如深度、確切部位。如圖4所示，窗口并未顯示有干涉部位，顯示設備人機交互方面并未干涉，表明下肢康復外骨骼相對人體的運動其功能模塊設置具備高可行性。

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

2.2 上肢可達性仿真

上肢可達性表示上臂活動時手指能夠接觸的區(qū)域。下肢康復外骨骼在研發(fā)過程中，上肢可達性研究會決定設備操縱的合理性，直觀呈現(xiàn)外骨骼設備運動過程中能否確保人體上肢成功操縱。運用CATIA人機分析功能Manikin Tools功能中的手接觸界面計算器便能對靜止、運行工況時的操作可達性做出仿真實驗，給出上肢伸展域范圍，顯示客觀的實驗結果。

如圖5所示，人體虛擬模型的上肢伸展域能夠做到下肢外骨骼設備所有控制界面可達，達到上肢控制設備需求，表明外骨骼設備適配第50百分位人體虛擬模型，對人體適配度優(yōu)良，滿足上肢操縱布局需求。

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

2.3 視野分析

外骨骼設備處于運動狀態(tài)時人的視線需要察看周圍區(qū)域狀況，視線必須寬闊，設備研發(fā)期間各功能模塊應盡量避開視線范圍內(nèi)，由此必須在設備處于穿戴狀態(tài)時對周圍區(qū)域作視線模擬，檢驗設備的適用度和運動安全性。CATIA人機分析功能的視線瀏覽器，便可識別人體虛擬模型視線區(qū)域里的圖像內(nèi)容，轉動頭頸可實現(xiàn)閱讀全方位視線以內(nèi)的圖像內(nèi)容。

視線可達區(qū)域通過清晰度劃分為兩部分：白色視線范圍表示雙眼聚焦、半透明視線范圍表示單眼可視，接近視線焦點更為清晰。如圖6所示，第50百分位虛擬人體模型視線可達范圍之內(nèi)無部件干擾，表明設備運行時視線符合設計需求。

圖6 視野仿真Figure 6 Visual field simulation

3 人機系統(tǒng)分析與評價

3.1 運動姿態(tài)分析

CATIA人類工效學欄中HPA功能可模擬人體虛擬模型實時運動形態(tài)并作出分析，評價處于某一形態(tài)時人體舒適性和操作可達性。據(jù)此得出的人體形態(tài)數(shù)據(jù)使設備開發(fā)更切合人體運動學，并具備切實的指導意義。

對外骨骼設備作出形態(tài)評價前，必須定義外骨骼設備主要關節(jié)部位扭轉自由度數(shù)值及相對的舒適性得分。作出評價時，依據(jù)人體處于目前某種形態(tài)時主要關節(jié)相對自由度及相應得分作出加權插值運算，最后得出評價成績，得分高代表舒適性更好。依照人體結構和舒適度準則把腿部關節(jié)可活動自由度劃分成舒適范圍、可活動范圍和可達范圍，關節(jié)扭轉舒適性評價得分區(qū)間為0 ～ 100分，由此進行實驗分析主要關節(jié)舒適性和設計可行性，各區(qū)域得分定義見表1。

表1 舒適區(qū)域等級定義Table 1 Comfort zone level definition

應用人體姿態(tài)研究功能對虛擬人體的運動步態(tài)作出仿真研究。將髖關節(jié)作為實驗案例，其活動行程最大區(qū)間是 -120° ～ 115°[14]，根據(jù)人體工程學設定關節(jié)活動舒適區(qū)間角度 -8° ～ 60°，可得90分；關節(jié)活動區(qū)間角度60° ～ 90°、-12° ～ -8°，可得75分；關節(jié)運動最大可及區(qū)間角度為90° ～ 120°、-15° ～ -12°，可得60分，如圖7所示。

圖7 髖關節(jié)姿態(tài)角度設置Figure 7 Hip posture angle setting

人體各大關節(jié)均依照髖關節(jié)實驗劃分舒適范圍、可活動范圍及可達范圍，陸續(xù)得出評估分數(shù)。如表2所示，可見下肢各主要關節(jié)得分都超出80，表明人體穿戴設備后進行恢復鍛煉具備可行的舒適性。

表2 姿態(tài)分析報告Table 2 Attitude analysis report

綜上所述，設備對人體具有優(yōu)良的契合度，整機布局滿足設計需求，符合產(chǎn)品開發(fā)的人機性。

但外骨骼設備在研發(fā)過程中存在短板?；谝陨系?0百分位虛擬模型髖部運動形態(tài)評分說明，偏癱患者人群在年齡、生理方面差距較大，舒適性得分盡管超出80分，但相對其余關節(jié)得分較低，依照人類工效學仿真研究，得出髖部可扭轉角度接近舒適區(qū)間，故得分較低，在此基礎上進行持續(xù)改良。聯(lián)系患者恢復過程中的狀況及依照人體運動學對于第50百分位虛擬模型在活動過程中的髖部可扭轉角度作出修改，使其符合活動舒適區(qū)間，由此髖部活動區(qū)間調(diào)節(jié)為-7° ～ 32°，再次經(jīng)過人機分析表明其舒適性得分明顯提升，同時各關節(jié)得分均有一定提升，由此得出偏癱患者應用外骨骼設備做肢體恢復過程中合理的關節(jié)運動角度區(qū)間，如表3所示。

表3 人體、外骨骼關節(jié)各自由度運動范圍Table 3 The range of motion of the human body and the exoskeleton joints

綜上可知，通過對于外骨骼設備受力實驗，人機仿真研究得出的主要關節(jié)扭轉自由度能夠確?；颊咴诨貜湾憻掃^程中獲取舒適的體驗感。

3.2 快速上肢評價

人體上肢與下肢為聯(lián)動關系，偏癱患者康復訓練過程中上肢與下肢協(xié)調(diào)完成一個步行周期。人體姿態(tài)分析模塊快速上肢評價功能是對人體上肢的某一姿態(tài)進行人機工程評價，依據(jù)下肢關節(jié)運動范圍定義上肢運動角度為-24° ～ 30°，進行上肢運動舒適度分析。

在快速上肢評價對話框中姿態(tài)項選擇重復，頻率選擇每min大于4次，負荷欄設置為0 kg。經(jīng)過人機工程分析后獲取最終得分，1 ～ 2分代表該形態(tài)是可以承受的，3 ～ 4分代表該形態(tài)必須進行深入分析，5 ～ 6分表示必須進行研究和變化姿態(tài)，7分表示必須即刻更改姿態(tài)[15]。

由表4可知，上肢各部位評分均處于1 ～ 3分之間，依據(jù)評分等級，說明該人體姿態(tài)下的上肢運動滿足舒適度需求。

表4 上肢姿態(tài)分析Table 4 Upper limb posture analysis

4 結論

將 CATIA 人類工效學研究功能融入外骨骼產(chǎn)品開發(fā)過程中，運用外骨骼相關的人類工效學運用評估體系，指引設備開發(fā)符合人類工效學的需求。通過虛擬三維人體模型引入仿真研究流程，能夠得到具備切實參考意義的力學實驗數(shù)據(jù)支撐外骨骼設備的機械、人因設計。將外骨骼設備作為研究目標，引入計算機輔助設計，于虛擬環(huán)境中模擬偏癱患者穿戴外骨骼設備的形態(tài)，呈現(xiàn)的形態(tài)作出仿真校定和評估。由實驗結果可知，外骨骼設備整機布局滿足設計需求，在CATIA人類工效學功能實驗下設置的外骨骼關節(jié)活動區(qū)間契合人體運動學，能夠有效減輕恢復鍛煉時的肢體疲憊感，保障患者在使用外骨骼設備時感覺舒適。