可穿戴式脊柱仿生助力產品設計研究

劉月林，成秦松，王云飛

(燕山大學藝術與設計學院，河北 秦皇島 066004)

1 引言

隨著年齡的增長，人們的身體機能逐漸下降，對身體控制變得力不從心，例如普通的行走、坐、蹲，甚至是彎腰躬背，挺身直背等需求都需要經歷很艱難的過程才能完成，需要各種助力產品來輔助生活。因此，各種具有輔助功能的穿戴產品逐漸進入人們的視野。從醫療器械的角度來說，可穿戴產品是為輔助穿戴者完成生活中基本活動的一種產品[1]，偏向于康復護理，人機協調性更好，能夠為穿戴者提供一定舒適度的同時輔助其活動。在遵循機械傳動和人機工程學原理前提下，以運動機理分析為基礎，以為具有腰背活動功能障礙的人群提供活動助力為目標，對脊柱仿生助力的穿戴產品進行合理的設計及布位，從而降低其整體的重量，且可以較好地依靠機械傳動原理實現身體所需的活動助力，與生活的活動需求相匹配，實現人機協調，達到在肢體活動過程中自我調節的目的[2]。

2 可穿戴助力產品發展現狀

京東物流研發的“鐵甲鋼拳”是一款氣電混合動力型腰關節助力產品，采用了碳纖維和鈦合金等輕量材料以及氣電混合動力裝置，可提供30kg的腰部助力；深圳康特力設計開發的護腰助力產品是一款無動力腰部助力外骨骼，采用純物理的機械原理，通過外骨髂機構的支撐作用，將人體附身前傾時產生的力矩通過臀部和大腿的互相作用來抵消，以減小腰部受力。國外針對可穿戴的助力產品，研制較為成熟的產品多出于歐美與日韓。德國Fraunhofer工程研究機構開發的Robo-mate主動軀干模塊是通過在臀部施加支撐扭矩來實現降低背部肌肉骨骼負荷的目的[3]；日本Atoun公司的Model-Y電動外骨骼采用倒Y型設計，如同背包一樣可輕松穿戴，同樣具有抵消搬運時，物體與身體產生的作用力等功能；韓國現代集團開發的H-WEX腰背部助力產品則可在一秒鐘內彎曲180°，采用單電機為兩腿提供足夠的動力，其控制系統還可以與手機、電腦等平臺進行關聯，按照使用者需求對控制參數進行個性化調節。

2.1 助力效果缺乏人機協調性

缺乏人機協調性、匹配性，是助力穿戴產品最大的問題，使用者在使用的過程中，肢體動作和產品在特殊活動狀態產生沖突以及活動不連貫、動作滯后等問題，都會為助力產品貼上這樣一個“強硬”的標簽，這樣的助力方式在效果的實現上往往會有所降低，還會影響工作效率，增加因使用不當而產生事故的風險。

2.2 體驗方式缺乏操作便捷性

助力產品在的設計過程中缺乏人性化的思考，無法滿足使用者對助力產品的實用性需求，體積龐大，結構復雜，需要對電機、液壓等進行精準控制，而產品受眾對象往往是身體機能退化與手掌抓握能力下降的人群，因此操作是否便捷對助力穿戴產品的使用體驗有著很大的影響。

2.3 產品外觀設計缺乏審美性

當前市面上大多數助力穿戴產品均為白色簡約的外觀設計，缺乏創新以及品牌意識。當前人們對助力產品的需求與日俱增，而作為產品外在形象的設計，其單調的外觀效果無法為購買者提供產品選擇的正確導向，也未能充分利用外觀設計作為商品品牌價值傳播載體的獨特手段。

3 人體脊柱運動機理分析

人體(成人)脊柱由26塊椎骨組成，其中包括頸椎、胸椎、腰椎和骶椎，椎骨之間由韌帶、關節及椎間盤連接而成。根據脊椎運動學，運動節段是脊椎的最小運動單位，劃分為前部和后部，它的前部是由兩個相鄰的椎體、椎間盤和縱韌帶組成，相應的椎弓、椎間關節、橫突、棘突、韌帶組成運動節段的后部[4]。前部主要承擔壓縮負荷，依靠椎間盤的形變減小緩沖，椎體根據上部身體重量的變化而呈現不同狀態，因此腰椎的椎體比頸、胸椎的椎體高，其橫截面積也大一些，如圖1(a)所示。

圖1 運動節段活動特征Fig.1 Movement Features of Motor Segments

后部控制運動節段的運動，不同的結構布局決定了后部運動功能的多樣化，運動的方向取決于椎間小關節突的朝向，第1、2頸椎的小關節突朝向橫斷面，其余頸椎的小關節突與橫斷面呈45°而與冠狀面相互平行，從而能夠多方位活動。腰部關節突的朝向與橫斷面呈直角，與冠狀面呈45°，可發生屈伸和側彎[5]，如圖1(b)所示。在人平移重物脊椎下部旋轉時重物對人體施加的反作用力會作用于后部，在人搬運物體時，脊椎上部屈曲，受到重物傳導的力會在椎間盤形成彎矩[6]，易造成勞損。

根據脊椎各部分的椎關節活動度值[7]，如表1所示。對其活動方式進行研究，探索一種合理的結構來滿足人體脊柱的活動需求，保持正常屈曲、伸展、旋轉等的功能，為脊柱助力的功能實現提供了必要的結構引導信息。

表1 脊柱各部分椎關節活動度值Tab.1 Movement Scope of Spine Vertebral Joints

3.1 運動節段活動

脊椎的節段活動特性與其結構息息相關，屈曲和伸展的幅度變化都是由椎間關節與椎間盤的變化來進行調節控制。脊柱在三個自由度條件下的基本活動分為屈曲、伸展、側屈、旋轉這四類，椎間盤組織隨著椎骨的活動而發生相應的展開摺疊的變形，如圖2所示。脊柱屈曲時，椎骨與椎間盤在矢狀軸方向移中立位，前部組織摺疊，后部組織展開；脊柱伸展時，椎骨與椎間盤在矢狀軸方向反方向偏移中立位，前部組織展開，后部組織摺疊；側屈是椎骨與椎間盤在冠狀軸方向上偏移中立位，椎骨的縱軸與軀干矢狀軸角度減小程度弱于屈曲；脊柱的旋轉是指在椎骨與椎間盤在兩個自由度中的水平轉動，前后部組織展開并維系初始位置以供回轉[8]。

圖2 脊椎活動特征Fig.2 Spinal Movement Characteristics

3.2 頸椎活動特征

脊椎是脊柱的單元，其作為助力結構的研究核心，仿生脊柱與穿戴者的交互特征都由脊柱的受力原理分析得出，頸椎與腰椎活動度較大，而胸椎活動度較小，在中間主要充當的橋梁作用，因此在研究過程中將胸椎作為頸椎和腰椎的連接附屬，以下針對頸、腰椎各活動進行具體分析。

3.2.1 頸椎屈曲

屈曲動作發生時，頸椎、胸椎和腰部同時發生彎曲，控制曲度的脊柱作均勻前傾彎曲狀，脊柱正面距離略減小，背面縱向舒張，肌肉帶動整個身體完成指令，并帶有背部橫向肌肉的輕微舒張。當在有腰背疼痛癥狀，或感到屈曲不適時，人會在有支撐緩沖的情景下在舒適度的允許范圍里緩慢完成動作[9]。

支撐緩沖可以達到穩定脊柱屈曲的作用，背面緩沖的例子就如平常的支手臂動作(滯后現象)，而可穿戴的助力產品在穿戴者背部屈曲時提供的阻力可以均勻地控制脊柱曲度產生突然的變化，滿足活動的支持需求，如圖3所示。

圖3 屈曲活動支持Fig.3 Buckling Activities Support

3.2.2 頸椎伸展

相較于屈曲，頸椎伸展動作的難度較大，因為在伸展動作的過程中，人體的重心在肌力的控制下發生旋轉偏移，支持點移動，但是要依舊保持原來的平衡狀態，如圖4所示。這一點在仿生脊柱的結構設計中要著重考慮，隨著人體重心升高，勢能增加，需要更多的力來應對重心旋轉偏移的影響，對于有腰背部活動功能障礙的人群來說，這是造成負擔的主要因素之一，由于無法避免，因此在問題解決中更需關注。

圖4 脊椎的重心偏移Fig.4 Shift of Spine Gravity Center

3.3 腰椎活動特征

相較于頸椎和胸椎，腰椎承擔了更多的力量負荷，它的活動需要更多的依靠肌肉的力量來完成。因此，要著重分析腰椎與胸椎不同的活動特點，對比其中存在的差異，在助力實現的過程中分別對待。

3.3.1 腰椎屈曲

從生理學的角度來說，人的腰部活動范圍大于背部，腰椎和肌肉的負荷也很大[10]，如圖5所示。肌肉的數量和強度都能證明它的功能和重要性，并在腰部運動的過程中，還要承擔協調背部和頸部平衡的任務，維持腰椎于某一特定狀態時，軀干提供動力，使腰椎產生各個方向的運動，在一定程度上承受作用于軀干的外力。如果它的穩定性和平衡受到外界的影響，組織就處于非正常受力狀態，易發生相應部位的勞損性疼痛，因此腰部比背部需要更強更穩定的助力。

圖5 重心變化示意圖Fig.5 Change of Gravity Center

3.3.2 腰椎伸展

脊柱的載荷主要由身體重量、肌肉韌帶活動產生的預載與外加載荷所產生，腰椎部分在脊柱活動中承載了最關鍵的力，伸展時，身體以腰椎為軸心，調節前后左右方向的協調，在身體活動時承擔所帶來的載荷，韌帶維持腰椎的穩定，由于負重使椎體形態發生對應的改變，椎間隙的前部分寬于其后[11]，椎間盤也有著前寬后薄的特點，因此腰部脊柱需要更強的控制來實現與背部脊柱的配合。

3.4 脊柱運動特征整合

由胸椎活動特征得出，背部與腰部的脊柱助力要求的功能不同，因此不能使用常規“類脊柱結構”的助力模型，它的助力效果無法滿足背部伸展的活動需求，難以承載身體旋轉變化帶來的壓力負擔，因此在參考常規可穿戴產品的參數后，如表2所示，對助力結構的實現方式進行進一步設計[12]。

表2 束緊力引發脊柱曲線參數變化Tab.2 Parametric Change of Spinal Curves Resulting from Tightening Force

3.5 助力產品設計依據

綜合上述研究，得出五點設計依據：(1)胸椎區域和背部的系統組織較為發達，可為負擔過重的腰部脊椎提供活動助力，背部設置多個方向的控制結構，將控制力傳導的仿生脊柱作為分區的橋梁；(2)產品要為穿戴者提供腰背彎曲的支持，支持力均勻施加，并且力的大小會根據脊柱屈曲的程度變化；(3)脊柱原有的屈曲、伸展等基礎活動方式在穿戴結構中要進行活動度范圍的匹配，用牽引線上力的整體傳遞來代替椎間肌肉和韌帶的生理功能；(4)在受力大的位置需要更大面積的承接面來減小壓強，因此產品表面的布局要圍繞著頸部、背部和腰部的區域著重展開設計；(5)根據不同束緊力對脊柱的影響，對穿戴產品的束緊方式進行擴散設定分布，可將穿戴著力點設定在雙肩、前胸、腰腹部和背部處，采用束帶和粘扣聯結等方式將壓力分散避免局部負擔過重。

3.6 設計依據適用分析

對應上文設計依據，進行以下適用分析：(1)產品胸椎控制區的助力結構設置為兩側延伸的模式，兩方向間夾角約為120°，可以在左肩、右肩、L4腰椎三點間形成一個穩定的正三角形結構，有利于產品整體功能結構的穩定性；(2)仿生模塊的各方向彎曲扭轉由彈簧組的受壓變形來實現，腔體形狀為橢球型，便于轉動且不同的長軸和短軸的關系可調節脊椎間縱橫向活動幅度比；(3)模塊之間除了相鄰的剛性連接，還需在彈簧組各彈簧中增加牽引線，在彈簧沒有彈性形變時提供控制引導所需的力；(4)在產品頸部采用平面環繞的方式減小頸部所受壓強，背部和腰部均采用曲面過渡的方式來加強連接，在過渡邊緣會形成許多的著力點，減小腰背部所受壓強壓強；(5)在束緊方式的適用分析中，考慮到腰部結構的產品控制需要，因此在腰腹部采用鏤空的環繞束帶，用于固定三角形結構的一端，而左右肩部的擺動幅度較大，束帶方式不能適用，因此采用倒U型的半框架結構，在前胸處安置交叉的扁系帶為框架結構提供垂直方向的約束，保證正三角形結構的另外兩端穩定，頸部環繞作為輔助連接為頸椎提供必要支持與保護。

4 可穿戴助力產品結構設計

在可穿戴助力產品設計方案中，結合人機工程學的人體活動分析，并充分考慮可穿戴助力產品的結構特征，進行概念設計，如圖6所示。隨后，針對助力方式和結構進行設計探索，提出產品造型設計方案。

圖6 產品概念設計Fig.6 Concept Product Design

4.1 可穿戴助力產品結構設計原理

可穿戴助力產品主要由仿生脊柱、肩部控制力輸入系統以及可穿戴的彈性材料組成，經過對手指活動、腕部活動、頸部活動和肩部活動的活動性分析對比后，采用了具有靈敏、穩定、易操作的特征且對正常生活影響最小的肩部活動控制方式。背部采用雙重支持保障的Y字型仿生脊柱，為使用者的背部表面提供正常活動需要的維護力和牽引力。

4.1.1 Y字型仿生脊柱

Y字型仿生脊柱是由多個脊椎仿生模塊組合構成的，模塊化的組合方式首尾相連，在人體背部表面構成Y的形態，便于可靠的為屈曲和伸展變化得出反饋。為針對胸椎部分和腰椎部分的不同活動需求，設計了一種“互持傳動”的方式為兩個區域的力進行傳導過渡[13]，如圖7所示。圖中的兩齒輪軸相互嚙合，胸椎區齒輪軸在上方，腰椎區在下方，基圓半徑的比例可以調節，輪齒兩側的牽引線(黃)提供齒輪的初始回彈力，兩側的牽引線(藍)分別與兩區域的脊椎模塊相連，在仿生脊柱伸展的狀態下克服初始回彈力做功，通過這樣的機構實現兩個區域的串聯。同時，改變上下兩齒輪軸基圓的比例可調節所輸入的牽引力占比，實現胸椎引導腰椎，腰椎引導胸椎的自我調節功能。

圖7 互持原理機構Fig.7 Principle of Mutual Support Mechanism

脊椎仿生模塊的主體由上下兩個節段和四個平衡彈簧組成，平衡彈簧的基礎長度比例決定了仿生脊柱自然狀態下的形態，模塊化的脊柱腔體單元，四個方向的彈簧來模擬脊椎間的活動，橢圓腔體更容易前后發生彎曲，其次是左右彎曲，它的長軸和短軸的關系與脊椎間縱橫向可活動幅度比相同，通過形態變化實現仿生脊柱對人體控制調節的功能[14]。

首尾相連的脊柱仿生模塊之間有牽引線的連接，在整體中牽引線控制著力的傳導，牽引線和彈簧組的變形是均勻控制的，但是彈簧組模塊的受力變形不完全受線控制，靠近背部平面的模塊部分受背部曲面變化影響[15]，通過模塊兩個方向的不同類型控制，實現人體和仿生模塊之間變形的過渡。

4.1.2 肩部控制力輸入系統

在整個產品的系統中，力的傳導都在其中進行，而人體對力的控制和傳達都從肩部的活動模型實現，結構利用杠桿原理，將肩部力的特征轉化成多倍距離的緩和力輸入仿生脊柱模型，如圖8所示。肩部左右拓展運動較為特殊，在生活中很少用到，為這種控制方式的專一性和有效性提供了保障。

圖8 肩部力輸入控制模型Fig.8 Shoulder Force Input Control Model

在系統中，當穿戴者脊柱屈曲時，仿生脊柱的彈簧阻力為使用者提供支持緩沖，防止脊柱活動帶來使人體感到不適應的后果，同時把屈曲后重心下降的重力勢能轉化為仿生脊柱的彈性勢能，儲存的能量會在脊柱伸展時釋放；脊柱伸展的動作需要身體克服重力做功，對于具有腰背活動功能障礙的人來說較為困難，通過肩部的縱向拓展力在支點的控制下減弱，傳導至Y型脊柱的分支，均勻的發生伸展形變；力量交匯至中心的機構，帶動齒輪軸引導整個脊柱的伸展，仿生脊柱儲存的彈性勢能和肩部控制力的輸入輔助肌肉以及脊柱共同完成活動動作。

在穿戴產品的設計方案中，結合人機工程學的人體活動分析并充分考慮了可穿戴產品的結構，如圖6所示。為脊椎形變提供控制力，同時以柔性方式矯正背部曲線，以更自然的方式向中間的脊柱提供力量支持。

4.2 可穿戴助力產品造型設計

依據產品設計概念和關鍵結構設計方案，進行產品建模渲染，如圖9所示。

圖9 可穿戴助力產品與脊柱模塊Fig.9 Rendering of Wearable Booster Product and Spine Modules

另外，在產品的材料選擇上，腰部、身前以及背部三處的固定織物采用石墨烯織物這種新型材料，石墨烯材料具有柔軟和強韌兩個特點，利用這種特性可解決穿戴舒適性和控制強度無法調和的問題，通過仿生脊柱的活動變化將力傳導至與其連接的織物材料上，有效地和人體動作進行關聯，因此在材料的選擇和穿戴方式的設計上還需要做進一步的研究。整體上將仿生脊柱部分的結構空間細化，在不占用過多空間的情況下增加穿戴產品內側的彈性織物，隱藏結構，減小穿戴感，讓這款助力產品可以更和諧的融入用戶的生活。

5 設計驗證

驗證過程首先采用德國西門子公司開發的JACK軟件對助力產品的使用過程進行人機工程學分析。使用JACK軟件進行模擬仿真，首先需建立數字人模型。軟件中的虛擬人體為18～60歲，由于本產品針對人群多為年齡較高人群，因此模擬過程采用2004年清華大學與寶潔遠東公司聯合測量的中國老年人身體尺寸。選取(60～80)歲第50百分位數據作為主要尺寸。產品的模型由Rhino造型設計軟件所建立，調整之后導入JACK軟件中。利用JACK的動畫模擬功能進行產品使用狀態的動態仿真[16]，流程，如圖10所示。然后對產品功能樣機的助力效果進行實驗驗證，按照設計邏輯，穿戴者需完成穿戴前后的脊椎屈曲到伸展的動作，過程中穿戴者保持放松，使用彈簧測力計牽引樣機的受力中心輔助穿戴者完成動作，記錄樣機在各彎曲幅度所對應的示數，為保證結果的可靠性，應選擇摩擦力較小的牽引線，并減小樣機受力表面在測量時產生的形變，試驗后對實驗結果進行分析。

圖10 人機分析流程圖Fig.10 Flow Chart of Ergonomic Analysis

5.1 穿戴功能人機仿真

穿戴仿真實驗中，設置百分數為50的虛擬人體穿戴高度參數分別為920mm，940mm，960mm，980mm，1000mm，1020mm，1040mm的助力產品進行由站起至坐下的動作測試，如圖11所示。

圖11 助力產品穿戴仿真Fig.11 Booster Product Wear Simulation

通過仿真分析得出人體脊柱在各參數下的活動受力，選擇第4節和第5節腰椎(L4/L5)、第4節和第5節胸椎(T4/T5)、第5節和的第6節頸椎(C5/C6)進行受力分析，如表3所示。

表3 由站起至坐下過程中的脊柱最大受力Tab.3 The Maximum Force on Spine From Standing up to Sitting Down

5.2 助力產品參數設計

根據文中數據分析，得出在由站起至坐下的動作狀態下50百分位的虛擬人體對應相對較為合理的產品高度范圍應在(940～980)mm間，不同尺寸的助力產品會在穿戴者日常活動中對其脊柱形成不同程度的助力效果，雖然模擬仿真驗證對產品的穿戴舒適性的分析略有欠缺，脊柱壓力和穿戴舒適度的變化關系還有待進一步的研究，但助力產品合理高度范圍仍可作為穿戴者調整助力產品尺寸的基礎依據，以供后續研究者參考。

5.3 功能樣機實驗驗證

完成樣機的制作之后，如圖12所示。為了驗證產品助力方式具有較強的可行性，分別進行普通狀態、穿戴狀態(肩部不助力)、穿戴狀態(肩部助力)三組對照試驗，使用彈簧測力計對樣機受力中心進行測量。

圖12 產品功能樣機Fig.12 Product Functional Prototype

根據表1脊柱活動度值，選擇脊柱椎關節可共同達到的最大前曲范圍(0～45)°為測試范圍，肩部活動位移約40mm，實驗中經多次測量得到平均數據，如圖13所示。

圖13 樣機受力隨前屈角度變化圖Fig.13 Force Variation of Prototype with Buckling Angle

從穿戴前后樣機的受力折線圖可以看出，樣機模型在兩種控制方式下均可正常完成活動助力，且活動過程平緩穩定，并未出現普通狀態下的明顯受力波動，肩部動作可為前屈動作承擔一小部分力。試驗結果表明，穿戴助力產品可以為人體脊柱的伸展動作提供穩定可靠的活動助力，在特定的前屈活動范圍內，能夠實現穩定控制脊柱曲度變化的目的。

6 結論

在人體脊柱活動分析的基礎上結合人機工程學設計原則，從產品原理、產品結構、產品造型三個方面對穿戴助力產品進行設計，提出了Y型組合方式的仿生脊柱模塊來實現助力的模型構想和具有結構柔性化的模塊設計方法，改善了同類產品的人機協調性不足的問題。通過實驗驗證得出，助力結構可為脊柱的屈曲與伸展活動節省約占三分之一的力，具有較好的可靠性。本助力穿戴產品的設計在促進穿戴產品的創新中具有重要作用，不僅提高了產品的結構性能和便捷性，還從舒適性與美觀程度上對其進行重新定義，為助力產品領域的設計引發新的思考。