戴學(xué)杰 叢曉妍

摘要：為提升痙攣恢復(fù)期患者或肌力弱項(xiàng)群體對(duì)下肢肌力康復(fù)訓(xùn)練產(chǎn)品的認(rèn)同感和使用體驗(yàn)。 以視知覺(jué)為切入點(diǎn)，通過(guò)肌肉電（EMG）傳感技術(shù)對(duì)比常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練與以Kinect體感交互設(shè)備為媒介實(shí)現(xiàn)的視覺(jué)反饋康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)比分析。 下肢視覺(jué)反饋康復(fù)訓(xùn)練比常規(guī)訓(xùn)練中產(chǎn)生的肌電數(shù)值大，肌肉活性高，肌張力高，肌肉群訓(xùn)練力度更加明顯。根據(jù) FBS 模型進(jìn)行指導(dǎo)下肢訓(xùn)練產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程和思路，最后設(shè)計(jì)一種兼顧動(dòng)作引導(dǎo)軌跡捕捉及下肢關(guān)節(jié)訓(xùn)練的設(shè)備。

關(guān)鍵詞：視知覺(jué) 體感交互 下肢康復(fù) 產(chǎn)品設(shè)計(jì) FBS 模型

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2023）19-0100-04

Abstract：In order to enhance the sense of identification and use experience of convalescent patients or weak muscle strength groups for lower limb muscle rehabilitation training products.Taking visual perception as the starting point，the conventional rehabilitation training was compared with the visual feedback rehabilitation training data realized by the Kinect somatosensory interaction device by muscle electrical（EMG）sensing technology.Lower limb visual feedback rehabilitation training is larger than the myoelectric value generated in conventional training，muscle activity is high，muscle tone is high，and the training strength of muscle groups is more obvious.According to the FBS model，the design process and ideas of the guided limb training product are carried out，and finally a device is designed that takes into account the action-guided trajectory capture and the training of the lower limb joints.

Keywords：Visual perception Somatosensory interaction Lower limb rehabilitation Product design FBS model

引言

腦卒中是腦構(gòu)造毀傷的一種疾病，也是導(dǎo)致下肢肌力萎縮的第一要因，我國(guó)每一年新發(fā)腦卒中約240萬(wàn)人，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周邊發(fā)達(dá)國(guó)家，并呈年輕化趨向。超過(guò)70%的腦卒中患者會(huì)陷入各種肢體功能方面的窘境[1]，致使偏癱率升高，使得康復(fù)過(guò)程變得艱難而又漫長(zhǎng)[2]。目前，類腦技術(shù)、生物力學(xué)，以及心理學(xué)已經(jīng)介入下肢康復(fù)訓(xùn)練方式的研究中，Saetta，G等[3]研究了未被充分研究的假肢和視運(yùn)動(dòng)知覺(jué)之間的聯(lián)系，如兩個(gè)固體實(shí)體相互不可穿透的隱含概念，可以指導(dǎo)身體運(yùn)動(dòng)的視覺(jué)感知。程梟等[4]研究證實(shí)下肢康復(fù)設(shè)備在鏡像療法的作用下，經(jīng)過(guò)視覺(jué)形成規(guī)范的運(yùn)動(dòng)幻覺(jué)，對(duì)本體感覺(jué)產(chǎn)生某種刺激，進(jìn)而對(duì)肢體的運(yùn)動(dòng)肌力恢復(fù)產(chǎn)生了良好影響。王子梅等[5]研究的視覺(jué)虛擬場(chǎng)景加入下肢康復(fù)中能豐富患者的視覺(jué)性，以視覺(jué)刺激換取積極性，有助于根據(jù)自身狀況設(shè)定階段性的訓(xùn)練計(jì)劃。從而得出視知覺(jué)與肢體康復(fù)產(chǎn)生某種關(guān)聯(lián)，故以實(shí)驗(yàn)證實(shí)了視知覺(jué)與下肢運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，在完成預(yù)期運(yùn)動(dòng)幅度和規(guī)范糾正肢體動(dòng)作訓(xùn)練的同時(shí)可持續(xù)增加運(yùn)動(dòng)的肌肉活性，因此將視知覺(jué)理論應(yīng)用于下肢肌力康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究具有較大意義。

一、視知覺(jué)理論與下肢運(yùn)動(dòng)

（一）視知覺(jué)理論：視知覺(jué)理論是魯?shù)婪颉ぐ⒍骱Ｄ吩诟袷剿睦韺W(xué)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建的一套用于心理學(xué)研究的系統(tǒng)理論，該理論在行為設(shè)計(jì)學(xué)中的應(yīng)用較為普遍，有關(guān)研究較多應(yīng)用在心理研究及交互體驗(yàn)范疇，特別是醫(yī)療康健、體育活動(dòng)、交際活動(dòng)等領(lǐng)域。該理論認(rèn)為，知覺(jué)和動(dòng)作都有一個(gè)同享的表征，即“配合代碼”，國(guó)外神經(jīng)生理學(xué)家和諾貝爾獎(jiǎng)得主羅杰·斯佩里認(rèn)為，知覺(jué)-動(dòng)作周期是神經(jīng)系統(tǒng)的基本邏輯，而視知覺(jué)與動(dòng)作的聯(lián)系在功能又是相互纏結(jié)的，如圖1。人機(jī)交互經(jīng)過(guò)視覺(jué)上的信息傳遞提升產(chǎn)品的體驗(yàn)效果，從感性層面去迎合用戶在心理方面的需要[6]。運(yùn)動(dòng)是最容易引起眼睛強(qiáng)烈注意的現(xiàn)象，而視覺(jué)可以刺激大腦運(yùn)動(dòng)知覺(jué)運(yùn)作，棘上神經(jīng)收到感覺(jué)輸入會(huì)做出刺激物向引的趨勢(shì)，可用于肢體軌跡引導(dǎo)控制、反饋表現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)進(jìn)度等三維空間信息的識(shí)別。

（二）下肢運(yùn)動(dòng)中的視知覺(jué)分析：為了切實(shí)考慮肌力患者人群的下肢肌力的康健，又能夠?qū)崟r(shí)規(guī)范肢體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，且康復(fù)中不乏娛樂(lè)性，用視知覺(jué)理論去評(píng)判下肢康復(fù)動(dòng)作的活動(dòng)有不少的優(yōu)勢(shì)。首先，人們?cè)诖竽X認(rèn)知中的信息會(huì)針對(duì)視知覺(jué)的傳遞下達(dá)運(yùn)動(dòng)意向的指令，把空間看作是一個(gè)統(tǒng)一體，以下肢作為運(yùn)動(dòng)載體，通過(guò)視知覺(jué)的傳遞對(duì)空間認(rèn)知做出某種運(yùn)動(dòng)傾向，然后會(huì)以實(shí)際的下肢活動(dòng)的形式作出回應(yīng)[7]。其次，視覺(jué)感知會(huì)隨著動(dòng)作的表現(xiàn)，無(wú)意識(shí)地對(duì)其活動(dòng)的方向進(jìn)行追捕，活動(dòng)的勢(shì)頭會(huì)產(chǎn)生力度感和動(dòng)量感，不僅僅豐富了人們視知覺(jué)的體驗(yàn)，也不經(jīng)意地增加了下肢肌肉群的協(xié)調(diào)運(yùn)作能力，通過(guò)提供準(zhǔn)確的姿態(tài)和角度或者肢體的某一部位的信息，得到足以說(shuō)明的問(wèn)題表征，能夠把那些重要的信息及時(shí)而又清晰地反饋給眼睛，所以兼顧動(dòng)作引導(dǎo)軌跡捕捉及下肢關(guān)節(jié)訓(xùn)練加入下肢肌力患者人群特征需求的訓(xùn)練中十分必要。

二、用戶人群下肢運(yùn)動(dòng)特征與視知覺(jué)軌跡運(yùn)動(dòng)模式

（一）用戶人群下肢運(yùn)動(dòng)特征：下肢肌力弱的群體在日?；顒?dòng)具有舉步維艱的苦惱，嚴(yán)重影響到個(gè)人生活[8]?；颊咴谥斡笕詴?huì)有下肢肢體運(yùn)動(dòng)功能遲鈍和擺動(dòng)不規(guī)范的煩惱，通常表現(xiàn)為自動(dòng)屈膝、屈髖、踝背屈能力受限、步態(tài)異樣、重心轉(zhuǎn)移差及下肢各樞紐關(guān)頭受制約等問(wèn)題，嚴(yán)重滋擾到患者的正常活動(dòng)。

下肢肌力患者人群是由于腦卒中或身體體弱造成的部分身體機(jī)能損傷，或者無(wú)法提供充足能量而造成的慢性化障礙，由于中樞運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的受損，致使本體感覺(jué)受到不同程度的損傷或喪失，活動(dòng)能力受到頗多影響。高級(jí)中樞神經(jīng)對(duì)意識(shí)運(yùn)動(dòng)功能的控制力喪失，導(dǎo)致肌肉張力異常、肌群無(wú)法協(xié)調(diào)運(yùn)作、平衡能力降低、步態(tài)失衡等，對(duì)正常行走產(chǎn)生困擾。心理的負(fù)面情感所產(chǎn)生的自卑、焦慮、情緒化等會(huì)產(chǎn)生壓抑的心理情感，繼而恢復(fù)時(shí)間比較長(zhǎng)，加上治療康復(fù)訓(xùn)練中患者會(huì)時(shí)常出現(xiàn)反感、無(wú)聊、排斥等心理，使康復(fù)周期變得愈加困難。下肢肌力患者人群相比于重癥性癱瘓最明顯的區(qū)別就是，他們可以借助輔助器材主動(dòng)地、有規(guī)律地、規(guī)范性地進(jìn)行下肢肢體活動(dòng)。通過(guò)對(duì)用戶下肢運(yùn)動(dòng)特征分析得出：在輔助器材需求層次方面脫穎而出的主要為多種且生動(dòng)的訓(xùn)練模式、居家訓(xùn)練，智能化訓(xùn)練、操作簡(jiǎn)單易學(xué)、鏡像訓(xùn)練等。

（二）下肢視知覺(jué)軌跡運(yùn)動(dòng)模式 ：經(jīng)過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)查和用戶的下肢運(yùn)動(dòng)特征分析得出目標(biāo)用戶的需求，康復(fù)訓(xùn)練方面：在無(wú)醫(yī)師、護(hù)工人員或家人攙扶的情況下依然可以進(jìn)行有效運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。功能方面：主被動(dòng)康復(fù)糾正步態(tài)，預(yù)先設(shè)定輸入量和輸出量，可視化App界面，能夠產(chǎn)生互動(dòng)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄保存。人機(jī)互動(dòng)主要是借助產(chǎn)品界面與用戶產(chǎn)生某種聯(lián)系，使用戶能夠沉浸體驗(yàn)中的同時(shí)，又能夠完成預(yù)期目的。

通過(guò)軌跡捕捉肢體運(yùn)動(dòng)可規(guī)范下肢肢體特定訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)模式，增加運(yùn)動(dòng)的積極性和肢體肌力訓(xùn)練的規(guī)范性，以視知覺(jué)為引導(dǎo)，肢體的訓(xùn)練會(huì)將捕捉的軌跡呈現(xiàn)給眼睛，眼睛會(huì)經(jīng)過(guò)大腦的視知覺(jué)運(yùn)作刺激而使其具有運(yùn)動(dòng)的傾向，以此反復(fù)形成閉環(huán)訓(xùn)練。軌跡的應(yīng)用可以實(shí)時(shí)展現(xiàn)出肢體運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)狀況，將其運(yùn)用在下肢康復(fù)訓(xùn)練中具有重要理論和實(shí)踐意義，而為證明視知覺(jué)軌跡運(yùn)動(dòng)模式的可行性需用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

三、基于視知覺(jué)的下肢康復(fù)訓(xùn)練功能原型組成與康復(fù)訓(xùn)練測(cè)試

（一）下肢康復(fù)訓(xùn)練測(cè)試原型硬件介紹：Kinect 是美國(guó)微軟公司于 2010年初次推出的活動(dòng)傳感輸入技術(shù)，可跟蹤用戶的身段活動(dòng)，以現(xiàn)實(shí)行動(dòng)把持游戲畫(huà)面中的人物，可以活動(dòng)健身，有益于身心健康。該設(shè)備可使使用者產(chǎn)生身臨其境的錯(cuò)覺(jué)，增添了極強(qiáng)的娛樂(lè)體驗(yàn)，使人與產(chǎn)品的互動(dòng)更加靈動(dòng)[9]。

表面肌電（surface electromyogram，sEMG）信號(hào)是通過(guò)電子的電位差測(cè)量肌肉的生物電活動(dòng)，其幅度與肌肉激活水平有關(guān)，功率譜密度反映肌肉傳導(dǎo)速度。surface肌電圖通過(guò)傳達(dá)有關(guān)肌肉激活的信息，例如，肌肉收縮的強(qiáng)度、肌肉疲勞的肌電表現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)單元的募集。肌肉電數(shù)值的起伏變化對(duì)應(yīng)著人體神經(jīng)肌肉的運(yùn)動(dòng)收縮狀態(tài)，受到各界研究者的深入研究，目前應(yīng)用在肌肉活性評(píng)價(jià)和肌電控制程序中[10]。其中，表面肌肉電信號(hào)是測(cè)量肌肉的活性起伏變化的方法，運(yùn)動(dòng)積極性越高，肌肉電數(shù)值越大，肌張力也就越大。

（二）基于視運(yùn)動(dòng)知覺(jué)的下肢康復(fù)訓(xùn)練功能原型組成：視覺(jué)刺激知覺(jué)下肢康復(fù)訓(xùn)練功能硬件原型需要用到膝關(guān)節(jié)護(hù)具、體感交互設(shè)備、肌肉電傳感器和屏幕顯示裝置。下肢樞紐關(guān)頭護(hù)具是膝樞紐關(guān)頭根基活動(dòng)作用工具，具備庇護(hù)和輔助膝樞紐關(guān)頭活動(dòng)的效果。體感交互設(shè)備采用的是Kinect v2.0，以點(diǎn)作為樞紐關(guān)節(jié)，線作為下肢肢體，可以對(duì)人體下肢采取行動(dòng)點(diǎn)捕獲，對(duì)人體下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)姿態(tài)實(shí)行辨識(shí)。屏幕顯示裝置是對(duì)行動(dòng)點(diǎn)捕獲姿勢(shì)辨識(shí)的視覺(jué)顯現(xiàn)，是用戶比較活動(dòng)姿勢(shì)是不是規(guī)范的參照。sEMG信號(hào)采集采用芯未來(lái)公司的USB-007板卡件，肌肉電傳感器可測(cè)量肌肉的運(yùn)動(dòng)活性，可以比較在常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練與以Kinect v2.0體感交互設(shè)備為媒介實(shí)現(xiàn)的視覺(jué)反饋康復(fù)訓(xùn)練膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)人體肌肉，如圖2。

（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：為了創(chuàng)建一種視覺(jué)刺激交互式下肢康復(fù)訓(xùn)練方式并證明其訓(xùn)練效果，針對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)中的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如表1。

本實(shí)驗(yàn)以膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)為主要康復(fù)評(píng)測(cè)，設(shè)置了人體在相同環(huán)境條件下的兩種不同訓(xùn)練方式，以驗(yàn)證視覺(jué)刺激交互式下肢康復(fù)訓(xùn)練方式聯(lián)合外骨骼設(shè)備相比常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練具有更好的效果，設(shè)為A組（常規(guī)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練）、B組（視覺(jué)刺激下膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練）。

（四）實(shí)驗(yàn)過(guò)程：A組分別開(kāi)始膝關(guān)節(jié)屈/伸、內(nèi)旋/外旋活動(dòng)，每次各10下；B組分別開(kāi)始下肢視覺(jué)刺激導(dǎo)向的膝關(guān)節(jié)屈/伸、內(nèi)旋/外旋活動(dòng)，每次各10下，每次實(shí)驗(yàn)間隔休息1min，對(duì)照完成動(dòng)作的概況和surface肌電信號(hào)值的轉(zhuǎn)變。先使用免洗消毒液清拭被測(cè)部位的皮膚，以清除皮膚表面附著的油脂和污漬，將電極粘貼在膝關(guān)節(jié)檢測(cè)通道的腘繩肌和股四頭肌位置，兩電極中心距離為2～3cm，參考電極貼于小腿處，電極之間的距離保持不變。將導(dǎo)連接線固定在腿部，避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)聯(lián)線晃動(dòng)而產(chǎn)生干擾。

（五）結(jié)果與分析：通過(guò)觀察正常下肢投射的運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)影像，采用肌電傳感評(píng)測(cè)，對(duì)8名神經(jīng)系統(tǒng)健康者的受試者進(jìn)行驗(yàn)證分析。

據(jù)得出的肌電數(shù)據(jù)用matlbe中圖表工具對(duì)有無(wú)視覺(jué)刺激條件下膝關(guān)節(jié)屈/伸中的腘繩肌和股四頭肌的肌電采集參與的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化對(duì)比分析，如圖3和圖4。在常規(guī)條件下的腘繩肌肌電值平均最高為147HZ，股四頭肌肌電值平均最高為151HZ，而在有視覺(jué)刺激條件下的腘繩肌肌電值平均最高為152HZ，股四頭肌肌電值平均最高為154HZ，故在有視覺(jué)刺激的條件下，膝關(guān)節(jié)的腘繩肌和股四頭肌的肌電數(shù)值均比無(wú)視覺(jué)刺激的數(shù)值大。上述中提到肌電數(shù)值的大小與肌肉活性成正比，由此得出以肢體軌跡路線促使人機(jī)互動(dòng)的形成，可以提高運(yùn)動(dòng)積極性，增大肌張力，對(duì)下肢肌力運(yùn)動(dòng)康復(fù)具有明顯的康復(fù)訓(xùn)練效果。

肢體軌跡引導(dǎo)康復(fù)活動(dòng)可以觸發(fā)患者時(shí)空被動(dòng)感知本能，其中，時(shí)間知覺(jué)是幫助患者判斷軌跡引導(dǎo)的速度、停歇、應(yīng)對(duì)反應(yīng)時(shí)間差以及能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)判下一步路徑的可能性?？臻g知覺(jué)是幫助患者對(duì)來(lái)回的軌跡曲線進(jìn)行三維建模，形成相對(duì)準(zhǔn)確捕捉的判斷依據(jù)。視知覺(jué)有助于患者提前充分調(diào)動(dòng)下肢肌群肌力，對(duì)軌跡的運(yùn)作來(lái)臨提高反應(yīng)速率，達(dá)到準(zhǔn)確無(wú)誤，從而取得提高運(yùn)動(dòng)興奮度的結(jié)果，因此可將其應(yīng)用在下肢康復(fù)設(shè)備設(shè)計(jì)中，以實(shí)時(shí)展現(xiàn)出肢體運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)狀況。

四、基于 FBS 模型的下肢康復(fù)設(shè)備設(shè)計(jì)思路與策略

（一）下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的FBS模型構(gòu)建：FBS模型是20世紀(jì)90年代Gero等人提出的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，在得到用戶需求的基礎(chǔ)上對(duì)“功能-行為-結(jié)構(gòu)”的關(guān)系來(lái)分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程[11]，常應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)用戶的運(yùn)動(dòng)特征需求分析、視知覺(jué)軌跡運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，形成了產(chǎn)品的功能匯總，并結(jié)合 FBS 模型，將功能對(duì)應(yīng)到行為層次之中，然后對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行梳理歸納。根據(jù)上述下肢運(yùn)動(dòng)特征需求分析和肢體軌跡識(shí)別實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，得出3個(gè)主要的功能區(qū)：運(yùn)動(dòng)功能區(qū)、顯示功能區(qū)、姿態(tài)捕捉功能區(qū)。

1.功能構(gòu)建行為：在明確用戶下肢訓(xùn)練基本需求之后，依據(jù)FBS模型對(duì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行整理、分化，得到基本訓(xùn)練、主被動(dòng)支撐、交互顯示、姿態(tài)捕捉等功能；再按照層級(jí)從功能的歸納構(gòu)建在行為條理上，髖、膝、踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)由設(shè)備的活動(dòng)練習(xí)功能映照，阻力調(diào)制、角度調(diào)制、尺寸調(diào)制由調(diào)制功能構(gòu)建，主被動(dòng)活動(dòng)、觸摸屏、語(yǔ)音調(diào)制、活動(dòng)速度調(diào)制由節(jié)制功能構(gòu)建，活動(dòng)軌跡及時(shí)檢測(cè)捕獲、數(shù)據(jù)保留可視化由監(jiān)測(cè)功效構(gòu)建，機(jī)電傳動(dòng)、牽引繩傳動(dòng)由輔助運(yùn)動(dòng)功能構(gòu)建。

2.行為構(gòu)建結(jié)構(gòu)：在行為-結(jié)構(gòu)的構(gòu)建中，行動(dòng)與結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)建干系顯現(xiàn)一對(duì)多的形式排列，在設(shè)計(jì)中要綜合人機(jī)尺寸、舒適度與結(jié)構(gòu)的相互干系，合理布置設(shè)計(jì)模塊的結(jié)構(gòu)。一個(gè)產(chǎn)物的完整性是由多個(gè)布局模塊構(gòu)成，為了清楚歸納布局，映照中的類似行動(dòng)會(huì)綜合到一個(gè)構(gòu)造區(qū)。在運(yùn)作的過(guò)程中結(jié)構(gòu)區(qū)會(huì)分工運(yùn)行，相互銜接而又互不干擾，有利于整個(gè)產(chǎn)品的布局，并對(duì)行為到結(jié)構(gòu)的映照起到歸納效能，最后設(shè)計(jì)出下肢動(dòng)作訓(xùn)練引導(dǎo)軌跡捕捉訓(xùn)練產(chǎn)品。通過(guò)構(gòu)建下肢動(dòng)作訓(xùn)練引導(dǎo)軌跡捕捉訓(xùn)練設(shè)備的 FBS 模型，如圖5，可以指導(dǎo)方案的進(jìn)一步設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)相關(guān)醫(yī)療康復(fù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)起到了參考作用。

（二）下肢康復(fù)外骨骼輔具設(shè)備的主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練策略：外骨骼輔具設(shè)備是該主體設(shè)備的重要組成部分，分析到目前下肢康復(fù)外骨骼輔具有較多不足之處，其中包括患者運(yùn)動(dòng)的可識(shí)別性和人機(jī)交互方式。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)的可識(shí)別性和人機(jī)交互的整合，對(duì)其主被動(dòng)控制系統(tǒng)訓(xùn)練策略進(jìn)行詳細(xì)分析，如圖6。

1.主動(dòng)運(yùn)動(dòng)視覺(jué)軌跡識(shí)別：運(yùn)動(dòng)視覺(jué)辨認(rèn)可以有效地輔助下肢肢體動(dòng)作之間的銜接，針對(duì)具有自主活動(dòng)能力的患者，患者進(jìn)行主觀意識(shí)軌跡運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)康復(fù)設(shè)備識(shí)別區(qū)主動(dòng)識(shí)別患者的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而將患者的主觀運(yùn)動(dòng)軌跡映射到顯示區(qū)，以供患者實(shí)時(shí)觀察運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，并進(jìn)行糾正。

2.被動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制訓(xùn)練：人體下肢在外骨骼區(qū)域輔助下，跟隨預(yù)先設(shè)定肢體軌跡運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)軌跡包含軌跡肢體擺動(dòng)角度、速度、周期等，經(jīng)自適應(yīng)節(jié)制算法編入外骨骼活動(dòng)系統(tǒng)中，從而引導(dǎo)肢體活動(dòng)。其中，為了顧慮到不同用戶的情況，對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置需進(jìn)行個(gè)人調(diào)整且有著精準(zhǔn)的要求。

五、基于FBS模型的下肢視知覺(jué)反饋康復(fù)設(shè)備方案設(shè)計(jì)實(shí)踐

通過(guò)對(duì)下肢視知覺(jué)反饋康復(fù)設(shè)備的 FBS 模型構(gòu)建和康復(fù)訓(xùn)練策略的分析，進(jìn)一步推進(jìn)了方案設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，本章基于下肢視知覺(jué)反饋康復(fù)設(shè)備的 FBS 模型與相應(yīng)設(shè)計(jì)原則完成方案的設(shè)計(jì)。

（一）下肢視知覺(jué)反饋康復(fù)設(shè)備設(shè)計(jì)原則

根據(jù)用戶人群的特征需求和下肢軌跡運(yùn)動(dòng)模式分析，下肢視知覺(jué)反饋康復(fù)設(shè)備需滿足以下幾個(gè)原則：

1.實(shí)用性：明確產(chǎn)品是面向中老年下肢Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)這兩個(gè)康復(fù)階段的用戶展開(kāi)設(shè)計(jì)研究，如表2。功能實(shí)用性是干預(yù)訓(xùn)練達(dá)到強(qiáng)化肢體的基本功能，是醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的第一位，首要確保功能穩(wěn)定和運(yùn)行態(tài)勢(shì)平穩(wěn)，對(duì)產(chǎn)品功能的負(fù)責(zé)也是對(duì)用戶、對(duì)自己設(shè)計(jì)職責(zé)的負(fù)責(zé)，絕不能給人身體健康帶來(lái)安全隱患。

2.簡(jiǎn)潔美觀性：產(chǎn)品的視覺(jué)效果對(duì)于用戶建立良好的第一印象起著非常重要的作用，在保證產(chǎn)品價(jià)值的同時(shí)，美觀性是衡量產(chǎn)品的砝碼。產(chǎn)品造型需具備親和力，力求達(dá)到用戶對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練產(chǎn)品的認(rèn)同感，從用戶的使用體驗(yàn)給用戶以安全、有效、親和的心理展示，增加用戶對(duì)產(chǎn)品的接受程度。溫暖人心的設(shè)計(jì)更需產(chǎn)品的界面簡(jiǎn)潔、使用方便、在配色上不追求“視覺(jué)沖擊性或攻擊性”，讓用戶感到舒心和安全，也使用戶能快速進(jìn)入狀態(tài)，而不易產(chǎn)生使用疲憊的情況。

3.循序漸進(jìn)性：按照康養(yǎng)訓(xùn)練的預(yù)期行為進(jìn)行漸進(jìn)式訓(xùn)練，幫助用戶逐漸增加康復(fù)訓(xùn)練認(rèn)識(shí)，借助姿態(tài)捕捉區(qū)動(dòng)作捕捉和顯示區(qū)的軌跡引導(dǎo)，使用戶有針對(duì)性地完成各階段的訓(xùn)練任務(wù)，并引導(dǎo)用戶掌握主動(dòng)性、實(shí)踐性、重復(fù)性、適量性和刺激的豐富性等規(guī)律以賦予產(chǎn)品功能多樣化。

4.體驗(yàn)性：智能的人機(jī)交互體驗(yàn)是人與產(chǎn)品心靈傳遞的良劑，可以締造真正的人性化康養(yǎng)計(jì)劃，使用戶感受充沛的體驗(yàn)意象。將使用體驗(yàn)、診療體驗(yàn)同時(shí)加持在下肢視知覺(jué)反饋康復(fù)設(shè)備中，可使用戶具有良好的使用感受和使用過(guò)程，視知覺(jué)軌跡的引導(dǎo)和規(guī)劃性運(yùn)動(dòng)使其更加耐人尋味。

5.舒適性：產(chǎn)品，特別是醫(yī)療方面的產(chǎn)品對(duì)舒適度的要求極高，舒適度是用戶體驗(yàn)的一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)，包括安全性、體驗(yàn)性考慮在內(nèi)的一系列因素均屬于舒適度的范疇。

（二）方案設(shè)計(jì)

視知覺(jué)反饋康復(fù)設(shè)備設(shè)計(jì)滿足患者的康復(fù)訓(xùn)練功能、實(shí)時(shí)交互和肢體軌跡引導(dǎo)功能，能夠安全、有效、規(guī)范地協(xié)助患者完成基本訓(xùn)練動(dòng)作，從功能角度出發(fā)，在FBS模型康復(fù)設(shè)備的設(shè)計(jì)原則下將其主體劃分為三個(gè)主要功能區(qū)。

1.外骨骼結(jié)構(gòu)區(qū)：根據(jù)我國(guó)成年人人體尺寸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)獲得人體大腿、小腿尺寸，并考慮產(chǎn)品的共享普適性，外骨骼輔助設(shè)備采取成年人人體尺寸中位數(shù)50組數(shù)據(jù)為宜。外骨骼結(jié)構(gòu)與綁帶進(jìn)行可拆解設(shè)計(jì)，穿戴方便，其中肢體軌跡識(shí)別傳感器設(shè)置在綁帶中，外部設(shè)置軟織物，保證與肢體舒適接觸。2.姿態(tài)捕捉區(qū)：采用pycharm動(dòng)作捕捉原理，采集外骨骼區(qū)患者下肢運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)，將采集的信息數(shù)據(jù)上傳至視覺(jué)顯示區(qū)。3.視覺(jué)顯示區(qū)：通過(guò)捕捉到的下肢姿態(tài)運(yùn)動(dòng)狀況以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給患者，實(shí)現(xiàn)邊訓(xùn)練邊檢測(cè)，以供不規(guī)范姿態(tài)的及時(shí)調(diào)整，與外骨骼輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)形成閉環(huán)，以此反復(fù)訓(xùn)練；也可從根據(jù)顯示區(qū)呈現(xiàn)的預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)以供患者參考訓(xùn)練。

該產(chǎn)品由下肢生物動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備和感應(yīng)識(shí)別設(shè)備組成，通過(guò)對(duì)下肢姿態(tài)中踝、膝、髖關(guān)節(jié)三維運(yùn)動(dòng)軌跡的捕捉，并在顯示屏呈現(xiàn)下肢運(yùn)動(dòng)軌跡狀態(tài)，如圖7，以4個(gè)點(diǎn)和線連接構(gòu)成人體下肢軌跡活動(dòng)，從左至右分別為不同狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)部位左右扭轉(zhuǎn)動(dòng)作，膝關(guān)節(jié)部分前后屈伸動(dòng)作，踝關(guān)節(jié)部分上下抬放動(dòng)作。通過(guò)肢體軌跡的呈現(xiàn)可有效地規(guī)范姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，并且在訓(xùn)練的過(guò)程中增加康復(fù)訓(xùn)練的積極性，無(wú)形之中增加訓(xùn)練量，提升下肢肌肉群的協(xié)調(diào)運(yùn)作能力。在下肢外骨骼的輔助下實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)訓(xùn)練，協(xié)助患者的下肢肢體的擺動(dòng)和伸展，其下的每一個(gè)肢體動(dòng)作都可即時(shí)被前方的姿態(tài)捕捉區(qū)捕捉，并在顯示區(qū)呈現(xiàn)給用戶，且通過(guò)姿態(tài)軌跡捕捉對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

由于用戶身體及心理的特殊性，設(shè)備在造型設(shè)計(jì)方面趨于“常規(guī)化”，將下肢外骨骼設(shè)備與和互動(dòng)顯示設(shè)備相結(jié)合，外觀和普通跑步機(jī)相似，如圖8所示為 KeyShot軟件渲染得出產(chǎn)品的三維產(chǎn)品效果圖。整體外觀設(shè)計(jì)在CMF設(shè)計(jì)要素分析下，外觀采用鈑金、塑料材料和橡膠材質(zhì)制作；考慮到用戶的情緒，在顏色上為了讓用戶感到舒心和安全，大面積選用灰色和白色，顯露親和感；金屬預(yù)處理和裝飾性電鍍等工藝增強(qiáng)產(chǎn)品的抗腐蝕性能，表面處理圓潤(rùn)光滑，無(wú)鋒利棱角。站立訓(xùn)練中，雙手抓握把手，上肢可自然平放在支撐區(qū)，整體造型以高端、親和、舒適、智能作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，用以滿足用戶的審美和舒適度的需求。

結(jié)語(yǔ)

人機(jī)工程學(xué)和交互設(shè)計(jì)的交叉運(yùn)用，在康復(fù)設(shè)備設(shè)計(jì)上得到空前的發(fā)展。綜合了視知覺(jué)理論和肢體運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤技術(shù)，深度分析下肢肌力患者人群活動(dòng)模式，提出了一種基于視知覺(jué)下肢運(yùn)動(dòng)軌跡交互體驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，檢測(cè)下肢運(yùn)動(dòng)的軌跡下肢可以集成到控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)和評(píng)估，并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)患者，及時(shí)規(guī)范、調(diào)整肢體運(yùn)動(dòng)軌跡，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該設(shè)計(jì)方法的有效性。將其具體應(yīng)用于下肢肌力障礙患者訓(xùn)練設(shè)備改良設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)了一種兼顧動(dòng)作引導(dǎo)軌跡捕捉及下肢關(guān)節(jié)訓(xùn)練的設(shè)備。▃

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