張凡煦 曹恩國(guó)

摘要：隨著外骨骼相關(guān)理論研究與設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，助力外骨骼逐漸普及。外骨骼產(chǎn)品不僅是運(yùn)動(dòng)能力受損人群的康復(fù)輔具，而且逐漸成為人們生活中必不可少的運(yùn)動(dòng)輔助工具。為了提高外骨骼產(chǎn)品的人機(jī)協(xié)同性及助力效能，探索被動(dòng)式柔性助力外骨骼的設(shè)計(jì)路徑，拓展外骨骼應(yīng)用場(chǎng)景，文章從人體跑步步態(tài)特征入手，對(duì)人體生物力學(xué)特征和步態(tài)周期性特征進(jìn)行研究，總結(jié)出跑步時(shí)人體運(yùn)動(dòng)步態(tài)的周期性規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換規(guī)律，并提出基于跑步步態(tài)特征的下肢助力外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，從人機(jī)尺寸的選擇、外骨骼關(guān)節(jié)的插齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人體附著固定方式、彈性元件選擇以及基于人機(jī)步態(tài)協(xié)同的控制策略五個(gè)方面進(jìn)行膝關(guān)節(jié)助力外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐，提出三種外觀方案，針對(duì)其中一種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和外觀細(xì)化。結(jié)合步態(tài)特征的特殊關(guān)節(jié)鎖定結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)下肢外骨骼的儲(chǔ)能與釋能助力效果，基于用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)出一款符合用戶需求和外骨骼設(shè)計(jì)原則的被動(dòng)式助力外骨骼，實(shí)現(xiàn)柔性助力和輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為外骨骼產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供思路與方向，為被動(dòng)式柔性外骨骼的設(shè)計(jì)研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)；助力外骨骼；步態(tài)研究；運(yùn)動(dòng)輔具

中圖分類號(hào)：R318；TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）05-0-04

0 引言

膝關(guān)節(jié)助力外骨骼在運(yùn)動(dòng)輔助、有負(fù)載的武裝部隊(duì)以及生物力學(xué)研究等方面有著實(shí)際的效用。長(zhǎng)期以來(lái)，下肢助力外骨骼致力于降低人體的能量代謝，以減輕運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的負(fù)荷或增強(qiáng)人的運(yùn)動(dòng)能力?；谂懿讲綉B(tài)特征的膝關(guān)節(jié)助力外骨骼產(chǎn)品，可以最大限度地利用人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量轉(zhuǎn)化，發(fā)揮外骨骼的助力效用。

1 膝關(guān)節(jié)助力外骨骼概述

膝關(guān)節(jié)助力外骨骼是基于人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及肌肉工作原理，通過(guò)類人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與用戶綁定，形成一體化可穿戴移動(dòng)設(shè)備，成為除用戶自身之外，為用戶提供保護(hù)支撐的第二副“骨骼”，可以有效緩解用戶膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的損耗和能量代謝。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，膝關(guān)節(jié)助力外骨骼可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，其中被動(dòng)式助力外骨骼利用人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的儲(chǔ)能和釋能規(guī)律，回收運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，再反作用于人體進(jìn)行助力。被動(dòng)式外骨骼根據(jù)助力材料的不同，可以分為剛性材料支撐助力和柔性材料彈性助力。利用柔性材料設(shè)計(jì)的被動(dòng)式膝關(guān)節(jié)外骨骼由于仿生程度更高、便攜性和穿戴體驗(yàn)更好、造價(jià)較低，更有利于外骨骼產(chǎn)品的市場(chǎng)化普及，是外骨骼產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)。柔性助力外骨骼不能完全取代使用者的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能，對(duì)使用者的運(yùn)動(dòng)能力有一定要求，因此柔性助力外骨骼十分適合作為運(yùn)動(dòng)輔具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)方向。

膝關(guān)節(jié)由于磨損后不可逆的特殊生物結(jié)構(gòu)，在人體跑步時(shí)往往承受著較大的載荷，更需要保護(hù)和支撐?；谂懿讲綉B(tài)特征的膝關(guān)節(jié)外骨骼設(shè)計(jì)在提升外骨骼的人機(jī)配合水平和可用性、拓展膝關(guān)節(jié)外骨骼的應(yīng)用場(chǎng)景以及優(yōu)化外骨骼的用戶體驗(yàn)方面具有實(shí)際價(jià)值。

2 人體跑步步態(tài)特征

2.1 跑步步態(tài)周期特征

人體在行走或者跑步時(shí)的肢體運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出周期性規(guī)律，因此步態(tài)周期被當(dāng)作步態(tài)特征分析的基本單位，當(dāng)一只腳接觸地面時(shí)，步態(tài)周期開始，當(dāng)同一只腳再次接觸地面時(shí)，步態(tài)周期結(jié)束。從腳接觸地面到離開地面，這一階段被稱為支撐相；從腳離開地面到再次接觸地面，這一階段被稱為擺動(dòng)相。步行和跑步的支撐相與擺動(dòng)相，存在進(jìn)一步的細(xì)分。

通常認(rèn)為，區(qū)分步行與跑步的步態(tài)標(biāo)志是步行在支撐階段存在雙腳觸地的特征，而跑步在擺動(dòng)階段存在雙腳離地的特征。在步行步態(tài)周期中，支撐相占整個(gè)步態(tài)周期的50%以上，而在跑步步態(tài)周期中，支撐相在整個(gè)周期中的占比隨著速度的提高而逐漸降低。研究表明，在跑步步態(tài)周期中，支撐相通常結(jié)束在周期的36%～39%，一些頂尖短跑運(yùn)動(dòng)員甚至可以將支撐相壓縮到整個(gè)周期的22%。跑步步態(tài)中，隨著速度的提高，腳接觸地面的部位會(huì)逐漸前移，由后腳轉(zhuǎn)移到前腳。但無(wú)論速度如何，步態(tài)周期都會(huì)存在交替的加速周期和減速周期，被稱為儲(chǔ)能階段和釋能階段，在這一過(guò)程中存在下肢運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換。

2.2 跑步的生物力學(xué)特征

步行和跑步時(shí)，膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況是類似的，但運(yùn)動(dòng)的極限和負(fù)載是不同的。相較于步行，跑步時(shí)膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的角度更大，這是由跑步時(shí)更高水平的能量轉(zhuǎn)換所決定的。在跑步時(shí)，膝關(guān)節(jié)角度的變化也呈現(xiàn)出周期性的規(guī)律，相較于其他關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的變化更為明顯，呈現(xiàn)先增大后減小然后再增大的變化趨勢(shì)。

在步行活動(dòng)和跑步活動(dòng)中，動(dòng)能與勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律有很大區(qū)別。在跑步活動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)效率主要通過(guò)人體下肢彈性結(jié)構(gòu)的拉伸儲(chǔ)能和彈性勢(shì)能的釋放來(lái)維持，勢(shì)能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化并不明顯。在跑步過(guò)程中，勢(shì)能和動(dòng)能在擺動(dòng)相中段達(dá)到峰值。當(dāng)重心向地面下降時(shí)，勢(shì)能就損失了，當(dāng)腳接觸地面時(shí)，動(dòng)能也會(huì)損失。大部分失去的勢(shì)能和動(dòng)能被轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，并儲(chǔ)存在肌肉、肌腱和韌帶中。在擺動(dòng)階段，質(zhì)心向上加速，勢(shì)能和動(dòng)能都增加。這種運(yùn)動(dòng)的能量由肌肉的主動(dòng)收縮和韌帶及肌腱的瞬間形變釋放的彈性勢(shì)能提供。因此，下肢彈性結(jié)構(gòu)中的能量?jī)?chǔ)存在跑步中比在步行中發(fā)揮更重要的作用。但即使是這種理想的能量?jī)?chǔ)存與釋放，也會(huì)產(chǎn)生顯著的肌肉代謝成本。這一生物力學(xué)特征為后續(xù)彈性元件和儲(chǔ)能元件的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

3 基于跑步步態(tài)特征的下肢助力外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膝關(guān)節(jié)助力外骨骼是基于跑步步態(tài)的周期特征及生物特征，通過(guò)附著在人體外部的彈性元件儲(chǔ)能并在一定時(shí)刻釋放能量，從而達(dá)到降低膝關(guān)節(jié)負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的代謝成本的目的。膝關(guān)節(jié)助力外骨骼設(shè)計(jì)分為五個(gè)關(guān)鍵部分，分別是人機(jī)尺寸、人體附著固定、外骨骼關(guān)節(jié)、彈性元件、控制策略。

3.1 人機(jī)尺寸

在設(shè)計(jì)下肢外骨骼時(shí)，人體的基本尺寸需要考慮在內(nèi)［1］，由于本研究是針對(duì)下肢外骨骼的設(shè)計(jì)，所以必須了解人體大腿長(zhǎng)、小腿長(zhǎng)以及足部長(zhǎng)度。根據(jù)國(guó)標(biāo)成年男性與女性人體尺寸對(duì)照表［2］，可得到人體尺寸P1、P5、P10、P50、P90、P95、P99的身高及大小腿長(zhǎng)度的百分位數(shù)據(jù)。另外，根據(jù)《人體工程學(xué)圖解》，可以得到人體踝關(guān)節(jié)到足底長(zhǎng)度及足部長(zhǎng)度的相關(guān)數(shù)據(jù)。下肢外骨骼的設(shè)計(jì)與人體的尺寸密切相關(guān)，要考慮大多數(shù)人的適用情況，因此選取人體尺寸90百分位到99百分位的數(shù)據(jù)作為參考。

3.2 人體附著固定

膝關(guān)節(jié)外骨骼的附著固定對(duì)外骨骼的有效性十分重要，既要保證固定的穩(wěn)定性，又要保證不妨礙人體的正常步態(tài)，同時(shí)還要防止外骨骼產(chǎn)品與人體下肢發(fā)生相對(duì)偏轉(zhuǎn)。由于彈性膝關(guān)節(jié)外骨骼需要有跨越膝蓋的彈性材料，所以外骨骼存在兩個(gè)基本的人體附著固定端，靠近髖關(guān)節(jié)的一端被稱為近端，靠近足部的一段被稱為遠(yuǎn)端。近端的固定點(diǎn)選擇髖關(guān)節(jié)下方的合適位置，通過(guò)剛性連接與綁帶將外骨骼與大腿固定，大腿肌肉可以限制外骨骼向上移動(dòng)，在外骨骼發(fā)揮作用時(shí)，返還的彈性勢(shì)能將通過(guò)摩擦力為大腿提供向上的輔助力量。遠(yuǎn)端的固定點(diǎn)由于關(guān)系到膝關(guān)節(jié)外骨骼的鎖定與解鎖，所以設(shè)置在足部接觸地面的部位。根據(jù)前述研究，跑步時(shí)足部觸地位置為前腳掌，因此將遠(yuǎn)端固定點(diǎn)設(shè)置在前腳掌跖骨間關(guān)節(jié)外側(cè)，通過(guò)剛性材料足蹬與綁帶將外骨骼與足部固定。

從理論角度來(lái)說(shuō)，彈性材料的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，下肢外骨骼的效用越強(qiáng)，但若近端固定點(diǎn)在髖關(guān)節(jié)以上，則其固定和穿戴將變得更加困難。本文所述外骨骼近端與遠(yuǎn)端的固定方式是綜合產(chǎn)品性能與固定強(qiáng)度的結(jié)果。

3.3 外骨骼關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

Yagn曾在1890年提出了一種平行式的彈性外骨骼，該裝置通過(guò)每條腿外側(cè)平行的外部被動(dòng)彈簧來(lái)傳遞載荷，從而降低生物載荷，增強(qiáng)穿戴者的跑跳能力。但這種跨越膝蓋的被動(dòng)彈性材料在擺動(dòng)相時(shí)會(huì)抵抗膝蓋的彎曲，無(wú)法與膝關(guān)節(jié)角度的周期性變化同步。

要使外骨骼不干擾人體正常的步態(tài)，就需要外骨骼關(guān)節(jié)精確鎖定在膝蓋伸展的最大角度，確保彈性材料在腳觸地的同時(shí)開始變形，最大限度地儲(chǔ)存能量，并在隨后的擺動(dòng)相之前解鎖，返還能量且不影響膝關(guān)節(jié)的正常屈伸。跑步步態(tài)雖然存在規(guī)律性的周期變化，但是用戶跑步每一個(gè)周期的步幅都不可能與上一個(gè)周期完全相同，反映在外骨骼上即跑步步態(tài)每一個(gè)周期的膝關(guān)節(jié)角度活動(dòng)范圍是不同的。因此要將外骨骼關(guān)節(jié)角度設(shè)置在一定范圍之內(nèi)，并合理地設(shè)置鎖定擋位，以此消除用戶步幅的隨機(jī)性對(duì)外骨骼可用性的影響。

前述研究表明，用戶跑步時(shí)腳觸地瞬間的膝關(guān)節(jié)伸展角度受速度影響，速度越大，膝關(guān)節(jié)最大伸展角度就越大。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)研究，人體以不同速度跑步時(shí)，足部觸地瞬間的膝關(guān)節(jié)角度為130°～175°［3］，因此根據(jù)近端和遠(yuǎn)端的固定點(diǎn)及彈性桿的長(zhǎng)度，計(jì)算出外骨骼關(guān)節(jié)在用戶足部觸地瞬間的角度范圍為120°～160°。在此角度范圍內(nèi)設(shè)計(jì)外骨骼關(guān)節(jié)插齒結(jié)構(gòu)，與插頭嚙合進(jìn)行關(guān)節(jié)鎖定，每個(gè)擋位之間的角度適配則通過(guò)在外骨骼關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中提供3.5°的活動(dòng)自由度來(lái)自適應(yīng)每個(gè)擋位的鎖定。

外骨骼關(guān)節(jié)通過(guò)插頭和插齒的插入嚙合進(jìn)行鎖定，插齒是根據(jù)反曲線和漸開線原理設(shè)計(jì)的特殊齒狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)前述角度分為若干個(gè)檔位，上方活動(dòng)轉(zhuǎn)槽為插齒結(jié)構(gòu)提供3.5°的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。插頭根據(jù)插齒形狀而設(shè)計(jì)，確保在用戶足部觸地時(shí)膝關(guān)節(jié)伸展的角度范圍內(nèi)任意角度都可以準(zhǔn)確插入插齒，且不會(huì)脫出齒槽，為外骨骼關(guān)節(jié)提供鎖定，在重力勢(shì)能和動(dòng)能的作用下促使彈性桿發(fā)生形變，進(jìn)而儲(chǔ)存彈性勢(shì)能。

3.4 彈性元件

外骨骼的彈性元件由位于可鎖定外骨骼關(guān)節(jié)近端和遠(yuǎn)端的半剛性玻璃纖維復(fù)合材料組成。玻璃纖維材料具有良好的耐腐蝕性，抗拉強(qiáng)度大、彈性模量高，抗沖擊、抗疲勞性能良好，是生產(chǎn)制造運(yùn)動(dòng)輔具的常用材料。目前，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于能夠有效減輕結(jié)構(gòu)重量等性能，已被廣泛應(yīng)用于滑雪板、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車等運(yùn)動(dòng)器材中［4］，并且應(yīng)用的范圍正在不斷擴(kuò)大。使用玻璃纖維復(fù)合材料制作助力外骨骼產(chǎn)品的彈性元件，可以滿足產(chǎn)品的助力和強(qiáng)度需求。

3.5 控制策略

本研究設(shè)計(jì)的是被動(dòng)式柔性外骨骼，控制方面不使用額外的子器件或傳感器等，而是基于與步態(tài)相協(xié)同的機(jī)械結(jié)構(gòu)控制方式，通過(guò)步態(tài)的周期性變化對(duì)外骨骼關(guān)節(jié)進(jìn)行鎖定與解鎖，其關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)主要集中在支撐相階段。在步態(tài)周期的不同階段，外骨骼的狀態(tài)如下。

第一，支撐相開始：足部觸地，隨著大腿繞膝關(guān)節(jié)繼續(xù)前擺，膝關(guān)節(jié)自然伸展角度達(dá)到最大值，并且足部觸地位置逐漸過(guò)渡到前腳。

第二，支撐相前期：膝關(guān)節(jié)伸展至最大角度，外骨骼在跖骨間關(guān)節(jié)的觸頭由于前腳的觸地而向上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)足部的行程放大結(jié)構(gòu)，向上使外骨骼關(guān)節(jié)的插頭與插齒結(jié)合，鎖定外骨骼關(guān)節(jié)，鎖定的意義是使外骨骼關(guān)節(jié)近端與遠(yuǎn)端的彈性桿件不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

第三，支撐相中期：人體膝關(guān)節(jié)自然彎曲，膝角變小，髖關(guān)節(jié)向前向下運(yùn)動(dòng)，彈性桿件彎曲儲(chǔ)能。

第四，支撐相后期：髖關(guān)節(jié)向上運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)角度變大，足部由腳跟至腳掌逐漸離地，此時(shí)由于足部前掌仍然觸地，外骨骼關(guān)節(jié)仍處于鎖定狀態(tài)，這一時(shí)期外骨骼彈性桿件釋能。

第五，支撐相結(jié)束：前腳掌離地，外骨骼位于跖骨間關(guān)節(jié)的觸頭脫出，外骨骼關(guān)節(jié)的插頭與插齒分離，外骨骼解鎖，解鎖的同時(shí)伴隨著釋能階段的結(jié)束。

第六，擺動(dòng)相階段：由于足部懸空，外骨骼關(guān)節(jié)處于解鎖狀態(tài)，外骨骼隨自然步態(tài)擺動(dòng)。

4 膝關(guān)節(jié)助力外骨骼造型設(shè)計(jì)

4.1 草圖方案

外骨骼的外觀設(shè)計(jì)應(yīng)該基于用戶體驗(yàn)，以確保用戶在使用外骨骼時(shí)感到舒適、自信和自然。外骨骼外觀設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本原則。

第一，人性化：外骨骼設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能地融入人體工程學(xué)原理，符合人體結(jié)構(gòu)、比例和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使用戶感到舒適自然。

第二，個(gè)性化：外骨骼設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到用戶的個(gè)性化需求，為不同用戶提供不同的外觀和顏色選擇。

第三，安全性：外骨骼的外觀設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到使用時(shí)的安全性，避免突出的零部件可能造成的危險(xiǎn)。

第四，易理解：外骨骼的外觀應(yīng)該簡(jiǎn)單明了，使用戶容易理解和使用。

第五，輕量化：外骨骼的外觀設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能輕盈、緊湊，減少不必要的材料和零件，提高外骨骼的便攜性和舒適度。

第六，美觀性：外骨骼的外觀設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到美觀性，讓用戶感到自信和舒適，從而更愿意使用。

基于以上原則進(jìn)行外骨骼造型方案設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）。

方案一：本方案造型以外骨骼產(chǎn)品功能為核心，去除多余造型元素，使產(chǎn)品盡可能簡(jiǎn)化和易于理解。產(chǎn)品造型主要分為三個(gè)部分，分別是身體附著部件外觀設(shè)計(jì)、外骨骼關(guān)節(jié)外觀設(shè)計(jì)以及足端固定部件造型設(shè)計(jì)。承受載荷的關(guān)節(jié)部件和連接部件采用鈑金折彎加工方法，彈性桿為玻璃纖維桿切割加工，彈性桿近端和遠(yuǎn)端連接部件為塑料件，大腿腿套為透氣硬質(zhì)海綿，綁帶為尼龍材料。本方案造型簡(jiǎn)約，功能結(jié)構(gòu)顯化，易于用戶理解，重量較輕。

方案二：本方案是對(duì)方案一的造型優(yōu)化及結(jié)構(gòu)加固。在大腿附著固定處，增大固定塑料板件的面積，使固定更為穩(wěn)定。另外，去除方案一中大腿近端的軸承座，以降低產(chǎn)品重量。通過(guò)外骨骼關(guān)節(jié)造型的進(jìn)一步優(yōu)化，削弱產(chǎn)品的機(jī)械感和工具感，通過(guò)整體化外觀增強(qiáng)外骨骼關(guān)節(jié)造型的產(chǎn)品感。同時(shí)，對(duì)玻璃纖維桿近端和遠(yuǎn)端的連接件形狀進(jìn)行優(yōu)化，提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

方案三：本方案外觀造型在造型語(yǔ)義上多采用曲線，凸顯外骨骼產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)輔具屬性，拉近與用戶的距離，整體結(jié)構(gòu)緊湊，造型美觀。相較于前兩個(gè)方案，對(duì)外骨骼關(guān)節(jié)中的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行造型優(yōu)化，進(jìn)一步消除機(jī)械感。另外，改進(jìn)近端和遠(yuǎn)端的固定部件，近端增大與腿套連接的塑料板件的面積，對(duì)腿部固定件設(shè)計(jì)鏤空造型，減輕產(chǎn)品重量并強(qiáng)化產(chǎn)品造型屬性。足底部件減少體積，優(yōu)化綁帶固定位置，增強(qiáng)用戶足部與外骨骼的連接穩(wěn)定性。

基于整體外觀造型和穿戴體驗(yàn)對(duì)上述三個(gè)方案進(jìn)行評(píng)估，方案三造型更符合本外骨骼的產(chǎn)品定位，在造型美觀性和穿戴舒適性上具有優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)方案三進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和造型細(xì)化。

圖1 產(chǎn)品方案草圖及產(chǎn)品效果圖

4.2 三維建模及渲染方案

外骨骼產(chǎn)品主要由四個(gè)部分組成，分別為位于髖關(guān)節(jié)下方的近端固定部件、外骨骼關(guān)節(jié)、足底遠(yuǎn)端固定部件以及彈性玻纖桿?？紤]到用戶需求，為了實(shí)現(xiàn)輕量化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)，盡可能減少金屬件的使用，在必要的受力金屬件上使用輕質(zhì)鋁材料。塑料部件使用“PLA+碳纖維”的復(fù)合材料，提高材料的強(qiáng)度，使產(chǎn)品塑料件能夠承受長(zhǎng)期大量的彎折受力。在穿戴便捷性方面，用戶可以根據(jù)身高體型及需求的不同，更換不同長(zhǎng)度和直徑的玻璃纖維彈性桿，安裝快速便捷。為了盡可能減少用戶穿戴的步驟，產(chǎn)品綁帶采用魔術(shù)貼粘帶，方便用戶快速穿脫外骨骼。

從產(chǎn)品美觀性來(lái)看，產(chǎn)品整體造型簡(jiǎn)約，語(yǔ)義清晰，功能區(qū)塊明確。配色方面，本產(chǎn)品采用黑色和綠色，黑色作為產(chǎn)品的主體顏色，中性沉穩(wěn)，增強(qiáng)產(chǎn)品的一體性，同時(shí)在視覺(jué)上弱化產(chǎn)品的體積感。少量的綠色可以增強(qiáng)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)屬性，給人帶來(lái)健康的心理感受。另外，綠色可以為產(chǎn)品帶來(lái)環(huán)保、輕量的視覺(jué)感受。

5 結(jié)語(yǔ)

外骨骼作為人體運(yùn)動(dòng)的輔助工具，是人體關(guān)節(jié)骨骼和肌肉的延伸，也是人體能力的拓展。隨著外骨骼相關(guān)理論和設(shè)計(jì)的發(fā)展及相關(guān)產(chǎn)品的不斷普及，外骨骼產(chǎn)品不再只是病患的康復(fù)器械，擁有運(yùn)動(dòng)能力的人群同樣需要外骨骼來(lái)輔助運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力或提供運(yùn)動(dòng)防護(hù)?；谂懿讲綉B(tài)特征的外骨骼產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以拓展外骨骼產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)對(duì)提高被動(dòng)式外骨骼的人機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)同性有很大益處。本研究為外骨骼產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了思路與方向，具有一定參考意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 邢嗣威，金信琴.人機(jī)工程學(xué)在老年人助行器中的應(yīng)用［J］.設(shè)計(jì)，2018（3）：113-114.

［2］ 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.中國(guó)成年人人體尺寸：GB/T 10000—1988［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989：1-17.

［3］ 崔旭艷，任占兵.跑步速度對(duì)中長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員步態(tài)的影響研究［J］.沈陽(yáng)體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，33（3）：122-126.

［4］ 牛忠旺，曹麗麗，李其朋.玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀［J］.塑料工業(yè)，2021，49（S1）：9-17.

作者簡(jiǎn)介：張凡煦（1998—），男，山東濟(jì)寧人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品戰(zhàn)略。

曹恩國(guó)（1983—），男，河北秦皇島人，博士，副教授，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)與交互設(shè)計(jì)。