無動力柔性下肢外服結構設計研究

陳炳基，鄧詠梅

(西安工程大學 服裝與藝術設計學院，陜西 西安 710048)

1 引言

根據國家統計局2006年第二次全國殘疾人抽樣調查結果顯示，中國殘疾人數達到8296萬，占總人數的6.34%[1]，其中中風是造成長期殘疾的主要原因，在全世界超過3300萬中風患者中有三分之一來自中國，且中國中風發病率還在以10%的速度上升[2]。《中國心血管病報告2016》推算中國腦卒中患者高達1300萬，其中約1/3的腦卒中幸存者由于神經功能損傷導致偏癱，喪失獨立運動能力[3]。傳統治療方法大多局限于物理療法，需要長時間的運動恢復，但效果卻不盡人意，有超過80%的中風患者在經過大量治療后依舊有步態障礙[4]。相對而言，將可穿戴下肢外服應用于運動康復領域，借助設備輔助患者進行恢復的方法效果顯著。

2015年Nature雜志中對柔性外服機器人做了如下定義：“柔性外服機器人是由柔性材料組成、能夠完成自主行為的系統”[5]。柔性可穿戴下肢外服設備是一種穿戴于人體上，隨時為人體提供助力、協助人體行走的助力裝置。在醫療康復領域，下肢外服多應用于腦中風患者的步態康復，使其能夠實現或接近正常行走，與使用者預期動作有較高的吻合度，具有更強的適應性。相較于傳統的步態修復裝置，它可以在不需要理療師全程監護的情況下，輔助使用者進行步態康復。同時，也可以通過穿戴下肢外服設備來增加負載量，為體力勞動者提供幫助，減少人體的損傷。除此之外,它還具有以下優點：總體質量輕且彈性好，穿戴之后在人體上的附加質量小，進而降低由于附加質量引起的代謝消耗；助力系統具有一定的彈性且僅對附加關節產生牽引力，對穿戴者的自然步態、關節活動范圍影響較小；柔性助力系統體積小，能夠穿戴于正常服裝之下，有助于推動外服設備的日常化應用。

本文基于人體解剖學、人體生物力學以及人體與服裝的關系，研究設計了一種基于功能型織物的柔性外服本體外衣，以期能夠輔助患者進行更加自主的下肢運動和康復。并通過文獻查閱對其可產生的助力效果進行評估分析。最后基于柔性外服的低成本、低重量、高便攜性展望了柔性可穿戴下肢外服設備的發展趨勢。

2 柔性可穿戴外服原型設計

通過分析美國哈佛大學生物實驗室的Exosuit系列裝置[6，7]，在柔性外服本體結構設計方面采用柔順、輕便、舒適的功能型紡織品；基于人體解剖學對下肢主要關節部位(下軀干、髖關節、大腿、膝關節、小腿、踝關節、足等)肌群進行分析，選出合適的助力部位。最終，依據柔性外服設計的原則，并結合人體與服裝的關系，基于人體解剖學，人體生物力學進行外服原型的結構設計，為后續原型實現提供條件。

2.1 下肢輔助關節部位的選取

首先基于人體解剖學對人體按照三個基本平面與基本軸進行劃分[8]，如圖1所示，依據該人體劃分方法，下肢關節的運動可以分為伸展/屈曲運動、外展/內收運動和外旋/內旋運動。其次，肌肉的伸縮是人體一切運動的源動力，因此研究人體肌肉的運動情況對于研究人體運動有著重要意義。王林等人[10]利用數字仿真軟件LifeMOD對人體步行過程進行仿真分析，得出下肢各個肌肉的力曲線，并通過分析發現盡管在運動過程中各個肌肉的出力情況不同，但大都遵循先增后減，左右交替增減的規律。大腿部位的股直肌出力最大，是人體步行過程中最為重要的肌肉；脛前肌的發力情況最為復雜，對人體步行的穩定與協調有著重要意義。其中各關鍵肌群與人體部位的對應關系如圖2所示。綜上所述，在結構設計中，將主要參考相關部位的肌肉受力延展走向，進行各個模塊的織物結構設計，同時選定膝關節及踝關節作為此次研究的主要關節。

圖1 人體參考平面詳圖[9]

圖2 下肢關鍵肌群與人體關節對應關系

2.2 柔性可穿戴外服結構設計原則

在可穿戴柔性外服的設計中，要實現各個部件之間位移的最小化，將輔助力量最大限度的傳遞給人體，同時還要盡可能使人體感覺到穿著舒適。哈佛大學生物研究所B. T. Quinlivan 等人[7]在文章中提出了關于柔性外服設備的六項設計原則：利用人體幾何學最大限度地提升結構剛度；將設備固定在人體剛度最大的部位；材料在具有高硬度的前提下不失舒適性；輔助力的傳遞路徑是符合人體結構的最短距離；盡量減小衣服和人之間的剪切力以提高舒適度；最大限度地利用人體與外衣的接觸面積減小壓力；最大限度地減小人體與外服之間的摩擦力等。

在這樣的前提下，此次研究所涉及的柔性外服是由功能織物通過立體裁剪和平面裁剪的方法剪裁而成，在保證安全性和舒適性的前提下，可以牢固地固定在腰部、小腿、腳踝等部位。

2.3 柔性可穿戴外服原型整體結構設計

基于人體骨骼肌肉組織的分布延展形態以及人體生物力學特征，在人體與服裝相互關系的基礎上，進行外服原型結構設計，為后續原型的實現以及實驗驗證提供條件。外服原型設計規格尺寸如表1所示，整體結構設計圖如圖3所示，所采用的人體號型為175/96A。

表1 柔性外服原型結構規格尺寸設計

圖3 柔性外服整體結構設計圖

2.4 柔性可穿戴外服原型細部結構設計

2.4.1腰帶部位結構設計

以人體腰圍線為基準，并結合髖關節、大腿關節自由度進行結構設計，以符合人體的運動規則；考慮到髖關節作為內置關節，其連接肌肉難以表征，因此在結構設計時采用與其應力路徑相一致的結構進行力的傳遞和牽引；臀大肌作為連接下軀干和大腿的重要肌肉，其應力傳遞對下肢關節運動有著重要的影響，因此背面主要依照人體形態，基于臀大肌的生物力學延展特征進行結構設計。最終腰帶部位結構設計如圖4所示。

圖4 腰帶結構示意圖

2.4.2垂直連接帶部位結構設計

以下肢縫匠肌和股外側肌的運動延展為參照，連接腰帶和小腿環帶，滿足柔性外服設備在受力傳遞路徑上符合人體結構最短距離，并且在其連接部位采用魔術貼進行粘合，可調節適體程度，滿足舒適性要求。同時，由于連接帶的牽扯使得小腿環帶的固定更加牢固，可減小部件之間的相對位移，其結構如圖5所示。

圖5 垂直連接帶結構示意圖

2.4.3小腿環帶部位結構設計

小腿環帶部位結構與人體小腿部位的廓形相一致，符合人體結構，其主要作用是將與鞋子相連的織物彈性驅動固定在身體上，避免在運動過程中產生位移，減少柔性織物結構與人體之間的剪切力，進而實現更好的助力效果。整個小腿環帶的設計與股二頭肌在此部位的形態相一致，其結構如圖6所示。

圖6 小腿帶結構示意圖

2.4.4足底穿戴固定裝置結構設計

在腳部設計足底穿戴固定裝置，以便將織物彈性驅動和小腿環帶相連接，減少部件位移，進而在步態運動過程中對踝關節產生助力，其設計圖如圖7所示。

整套柔性設備在連接處都是采用魔術貼、尼龍搭扣以及尼龍繩，可提高設備與人體結合的緊密程度，更好地貼合人體，減小各部位之間的相互移動，滿足舒適性的要求。

圖7 足底穿戴固定裝置

3 柔性可穿戴外服原型實現

此次研究的外服主要包括了腰帶、垂直連接帶、小腿環帶以及踝布帶等，采用平紋棉織物、滌棉織物和夾網布(如圖8所示)等面輔料制成。平紋棉織物、滌棉織物的彈性、耐磨性和舒適性較好，而PVC夾網布主要是為了增加面料強度并實現較好的支撐效果。

圖8 服用面料

3.1 織物規格

織物的規格主要包括面料成分、單位面積干重、織物厚度和織物密度。對本研究中所采用的主要面料的性能進行分析，其規格參數如表2所示。

3.2 柔性可穿戴外服設備原型的實現

基于上文涉及的面料以及相關部位結構設計，最終通過采用立體裁剪和平面裁剪相結合的方法實現柔性可穿戴外服原型,其實物圖如圖9所示。

表2 織物基本規格參數統計

圖9 柔性外服原型實物圖

4 效果評估分析

本章節內容主要通過對現有柔性外服設備助力效果進行分析，得到柔性外服進行助力所需的條件，進而對柔性外服原型能夠產生的助力效果進行預測。

首先在穿戴外服設備進行助力行走運動時，設備本身的重量人也會對人體造成額外的能耗。L. M. Mooney等人[11]通過實驗對人體運動時穿戴外服設備與否進行對比，以及對運動能量消耗的對比計算，最終得到當外服系統(含電源驅動)的整體質量低于5 kg時，對人體運動造成的額外能耗最低。美國國防高級研究計劃局研制的“勇士織衣”集成化智能柔性外服作戰系統質量不到9kg，可以減少25%代謝消耗[12]。經過測試，本文實驗所制作的這套設備總體重量(不含電源驅動)為1 kg，滿足重量要求。

踝關節是人體步態運動的主要關節，在步態周期內對踝關節提供助力，會對人體整個步態運動起到有效的輔助作用。Quinlivan團隊所研制的電極牽引柔性外服設備，通過穿著對比實驗發現在踝關節施加助力時，人體的代謝能量消耗比正常情況下有顯著的減少，其大致范圍在正常人體能耗的3.59%～22.83%[7]。由此，本次實驗擬在踝關節添加柔性織物彈力驅動以便在人體步態運動中為其提供一定助力，進而輔助行走，達到減少一定能耗的目的。

總之，通過相關穿著評價實驗，本次研制的柔性外服原型是可以對人體步態運動產生輔助作用，但是其助力效果僅低于正常能耗的3.59%，因此在后續的研究實驗中，要對其結構以及驅動設備進行進一步研發，以便為穿戴者提供更大的幫助。

5 結語

本文基于人體下肢結構設計了一種具有步態輔助功能的仿生柔性外服，并對其助力效果進行了預測評估。初步結果表明，這套外服可以對穿戴者的步態運動提供助力，但其具體的助力效果還需要通過后續完善并進行穿著實驗驗證。因此，本次研究主要是提供了概念驗證，并激發在此領域的進一步努力。未來的工作將對柔性外服的結構進行進一步優化，使其能夠提供更強的力量輔助，并且進行相關柔性驅動設備的研發，為穿戴者提供更大的幫助。最后，計劃在后續設備完善的情況下，進行廣泛的人體實驗，以證明其在輔助運動障礙患者進行步態康復方面的潛力。