可穿戴式脊柱仿生助力产品设计研究

刘月林，成秦松，王云飞

(燕山大学艺术与设计学院，河北 秦皇岛 066004)

1 引言

随着年龄的增长，人们的身体机能逐渐下降，对身体控制变得力不从心，例如普通的行走、坐、蹲，甚至是弯腰躬背，挺身直背等需求都需要经历很艰难的过程才能完成，需要各种助力产品来辅助生活。因此，各种具有辅助功能的穿戴产品逐渐进入人们的视野。从医疗器械的角度来说，可穿戴产品是为辅助穿戴者完成生活中基本活动的一种产品[1]，偏向于康复护理，人机协调性更好，能够为穿戴者提供一定舒适度的同时辅助其活动。在遵循机械传动和人机工程学原理前提下，以运动机理分析为基础，以为具有腰背活动功能障碍的人群提供活动助力为目标，对脊柱仿生助力的穿戴产品进行合理的设计及布位，从而降低其整体的重量，且可以较好地依靠机械传动原理实现身体所需的活动助力，与生活的活动需求相匹配，实现人机协调，达到在肢体活动过程中自我调节的目的[2]。

2 可穿戴助力产品发展现状

京东物流研发的“铁甲钢拳”是一款气电混合动力型腰关节助力产品，采用了碳纤维和钛合金等轻量材料以及气电混合动力装置，可提供30kg的腰部助力；深圳康特力设计开发的护腰助力产品是一款无动力腰部助力外骨骼，采用纯物理的机械原理，通过外骨髂机构的支撑作用，将人体附身前倾时产生的力矩通过臀部和大腿的互相作用来抵消，以减小腰部受力。国外针对可穿戴的助力产品，研制较为成熟的产品多出于欧美与日韩。德国Fraunhofer工程研究机构开发的Robo-mate主动躯干模块是通过在臀部施加支撑扭矩来实现降低背部肌肉骨骼负荷的目的[3]；日本Atoun公司的Model-Y电动外骨骼采用倒Y型设计，如同背包一样可轻松穿戴，同样具有抵消搬运时，物体与身体产生的作用力等功能；韩国现代集团开发的H-WEX腰背部助力产品则可在一秒钟内弯曲180°，采用单电机为两腿提供足够的动力，其控制系统还可以与手机、电脑等平台进行关联，按照使用者需求对控制参数进行个性化调节。

2.1 助力效果缺乏人机协调性

缺乏人机协调性、匹配性，是助力穿戴产品最大的问题，使用者在使用的过程中，肢体动作和产品在特殊活动状态产生冲突以及活动不连贯、动作滞后等问题，都会为助力产品贴上这样一个“强硬”的标签，这样的助力方式在效果的实现上往往会有所降低，还会影响工作效率，增加因使用不当而产生事故的风险。

2.2 体验方式缺乏操作便捷性

助力产品在的设计过程中缺乏人性化的思考，无法满足使用者对助力产品的实用性需求，体积庞大，结构复杂，需要对电机、液压等进行精准控制，而产品受众对象往往是身体机能退化与手掌抓握能力下降的人群，因此操作是否便捷对助力穿戴产品的使用体验有着很大的影响。

2.3 产品外观设计缺乏审美性

当前市面上大多数助力穿戴产品均为白色简约的外观设计，缺乏创新以及品牌意识。当前人们对助力产品的需求与日俱增，而作为产品外在形象的设计，其单调的外观效果无法为购买者提供产品选择的正确导向，也未能充分利用外观设计作为商品品牌价值传播载体的独特手段。

3 人体脊柱运动机理分析

人体(成人)脊柱由26块椎骨组成，其中包括颈椎、胸椎、腰椎和骶椎，椎骨之间由韧带、关节及椎间盘连接而成。根据脊椎运动学，运动节段是脊椎的最小运动单位，划分为前部和后部，它的前部是由两个相邻的椎体、椎间盘和纵韧带组成，相应的椎弓、椎间关节、横突、棘突、韧带组成运动节段的后部[4]。前部主要承担压缩负荷，依靠椎间盘的形变减小缓冲，椎体根据上部身体重量的变化而呈现不同状态，因此腰椎的椎体比颈、胸椎的椎体高，其横截面积也大一些，如图1(a)所示。

图1 运动节段活动特征Fig.1 Movement Features of Motor Segments

后部控制运动节段的运动，不同的结构布局决定了后部运动功能的多样化，运动的方向取决于椎间小关节突的朝向，第1、2颈椎的小关节突朝向横断面，其余颈椎的小关节突与横断面呈45°而与冠状面相互平行，从而能够多方位活动。腰部关节突的朝向与横断面呈直角，与冠状面呈45°，可发生屈伸和侧弯[5]，如图1(b)所示。在人平移重物脊椎下部旋转时重物对人体施加的反作用力会作用于后部，在人搬运物体时，脊椎上部屈曲，受到重物传导的力会在椎间盘形成弯矩[6]，易造成劳损。

根据脊椎各部分的椎关节活动度值[7]，如表1所示。对其活动方式进行研究，探索一种合理的结构来满足人体脊柱的活动需求，保持正常屈曲、伸展、旋转等的功能，为脊柱助力的功能实现提供了必要的结构引导信息。

表1 脊柱各部分椎关节活动度值Tab.1 Movement Scope of Spine Vertebral Joints

3.1 运动节段活动

脊椎的节段活动特性与其结构息息相关，屈曲和伸展的幅度变化都是由椎间关节与椎间盘的变化来进行调节控制。脊柱在三个自由度条件下的基本活动分为屈曲、伸展、侧屈、旋转这四类，椎间盘组织随着椎骨的活动而发生相应的展开摺叠的变形，如图2所示。脊柱屈曲时，椎骨与椎间盘在矢状轴方向移中立位，前部组织摺叠，后部组织展开；脊柱伸展时，椎骨与椎间盘在矢状轴方向反方向偏移中立位，前部组织展开，后部组织摺叠；侧屈是椎骨与椎间盘在冠状轴方向上偏移中立位，椎骨的纵轴与躯干矢状轴角度减小程度弱于屈曲；脊柱的旋转是指在椎骨与椎间盘在两个自由度中的水平转动，前后部组织展开并维系初始位置以供回转[8]。

图2 脊椎活动特征Fig.2 Spinal Movement Characteristics

3.2 颈椎活动特征

脊椎是脊柱的单元，其作为助力结构的研究核心，仿生脊柱与穿戴者的交互特征都由脊柱的受力原理分析得出，颈椎与腰椎活动度较大，而胸椎活动度较小，在中间主要充当的桥梁作用，因此在研究过程中将胸椎作为颈椎和腰椎的连接附属，以下针对颈、腰椎各活动进行具体分析。

3.2.1 颈椎屈曲

屈曲动作发生时，颈椎、胸椎和腰部同时发生弯曲，控制曲度的脊柱作均匀前倾弯曲状，脊柱正面距离略减小，背面纵向舒张，肌肉带动整个身体完成指令，并带有背部横向肌肉的轻微舒张。当在有腰背疼痛症状，或感到屈曲不适时，人会在有支撑缓冲的情景下在舒适度的允许范围里缓慢完成动作[9]。

支撑缓冲可以达到稳定脊柱屈曲的作用，背面缓冲的例子就如平常的支手臂动作(滞后现象)，而可穿戴的助力产品在穿戴者背部屈曲时提供的阻力可以均匀地控制脊柱曲度产生突然的变化，满足活动的支持需求，如图3所示。

图3 屈曲活动支持Fig.3 Buckling Activities Support

3.2.2 颈椎伸展

相较于屈曲，颈椎伸展动作的难度较大，因为在伸展动作的过程中，人体的重心在肌力的控制下发生旋转偏移，支持点移动，但是要依旧保持原来的平衡状态，如图4所示。这一点在仿生脊柱的结构设计中要着重考虑，随着人体重心升高，势能增加，需要更多的力来应对重心旋转偏移的影响，对于有腰背部活动功能障碍的人群来说，这是造成负担的主要因素之一，由于无法避免，因此在问题解决中更需关注。

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

3.3 腰椎活动特征

相较于颈椎和胸椎，腰椎承担了更多的力量负荷，它的活动需要更多的依靠肌肉的力量来完成。因此，要着重分析腰椎与胸椎不同的活动特点，对比其中存在的差异，在助力实现的过程中分别对待。

3.3.1 腰椎屈曲

从生理学的角度来说，人的腰部活动范围大于背部，腰椎和肌肉的负荷也很大[10]，如图5所示。肌肉的数量和强度都能证明它的功能和重要性，并在腰部运动的过程中，还要承担协调背部和颈部平衡的任务，维持腰椎于某一特定状态时，躯干提供动力，使腰椎产生各个方向的运动，在一定程度上承受作用于躯干的外力。如果它的稳定性和平衡受到外界的影响，组织就处于非正常受力状态，易发生相应部位的劳损性疼痛，因此腰部比背部需要更强更稳定的助力。

图5 重心变化示意图Fig.5 Change of Gravity Center

3.3.2 腰椎伸展

脊柱的载荷主要由身体重量、肌肉韧带活动产生的预载与外加载荷所产生，腰椎部分在脊柱活动中承载了最关键的力，伸展时，身体以腰椎为轴心，调节前后左右方向的协调，在身体活动时承担所带来的载荷，韧带维持腰椎的稳定，由于负重使椎体形态发生对应的改变，椎间隙的前部分宽于其后[11]，椎间盘也有着前宽后薄的特点，因此腰部脊柱需要更强的控制来实现与背部脊柱的配合。

3.4 脊柱运动特征整合

由胸椎活动特征得出，背部与腰部的脊柱助力要求的功能不同，因此不能使用常规“类脊柱结构”的助力模型，它的助力效果无法满足背部伸展的活动需求，难以承载身体旋转变化带来的压力负担，因此在参考常规可穿戴产品的参数后，如表2所示，对助力结构的实现方式进行进一步设计[12]。

表2 束紧力引发脊柱曲线参数变化Tab.2 Parametric Change of Spinal Curves Resulting from Tightening Force

3.5 助力产品设计依据

综合上述研究，得出五点设计依据：(1)胸椎区域和背部的系统组织较为发达，可为负担过重的腰部脊椎提供活动助力，背部设置多个方向的控制结构，将控制力传导的仿生脊柱作为分区的桥梁；(2)产品要为穿戴者提供腰背弯曲的支持，支持力均匀施加，并且力的大小会根据脊柱屈曲的程度变化；(3)脊柱原有的屈曲、伸展等基础活动方式在穿戴结构中要进行活动度范围的匹配，用牵引线上力的整体传递来代替椎间肌肉和韧带的生理功能；(4)在受力大的位置需要更大面积的承接面来减小压强，因此产品表面的布局要围绕着颈部、背部和腰部的区域着重展开设计；(5)根据不同束紧力对脊柱的影响，对穿戴产品的束紧方式进行扩散设定分布，可将穿戴着力点设定在双肩、前胸、腰腹部和背部处，采用束带和粘扣联结等方式将压力分散避免局部负担过重。

3.6 设计依据适用分析

对应上文设计依据，进行以下适用分析：(1)产品胸椎控制区的助力结构设置为两侧延伸的模式，两方向间夹角约为120°，可以在左肩、右肩、L4腰椎三点间形成一个稳定的正三角形结构，有利于产品整体功能结构的稳定性；(2)仿生模块的各方向弯曲扭转由弹簧组的受压变形来实现，腔体形状为椭球型，便于转动且不同的长轴和短轴的关系可调节脊椎间纵横向活动幅度比；(3)模块之间除了相邻的刚性连接，还需在弹簧组各弹簧中增加牵引线，在弹簧没有弹性形变时提供控制引导所需的力；(4)在产品颈部采用平面环绕的方式减小颈部所受压强，背部和腰部均采用曲面过渡的方式来加强连接，在过渡边缘会形成许多的着力点，减小腰背部所受压强压强；(5)在束紧方式的适用分析中，考虑到腰部结构的产品控制需要，因此在腰腹部采用镂空的环绕束带，用于固定三角形结构的一端，而左右肩部的摆动幅度较大，束带方式不能适用，因此采用倒U型的半框架结构，在前胸处安置交叉的扁系带为框架结构提供垂直方向的约束，保证正三角形结构的另外两端稳定，颈部环绕作为辅助连接为颈椎提供必要支持与保护。

4 可穿戴助力产品结构设计

在可穿戴助力产品设计方案中，结合人机工程学的人体活动分析，并充分考虑可穿戴助力产品的结构特征，进行概念设计，如图6所示。随后，针对助力方式和结构进行设计探索，提出产品造型设计方案。

图6 产品概念设计Fig.6 Concept Product Design

4.1 可穿戴助力产品结构设计原理

可穿戴助力产品主要由仿生脊柱、肩部控制力输入系统以及可穿戴的弹性材料组成，经过对手指活动、腕部活动、颈部活动和肩部活动的活动性分析对比后，采用了具有灵敏、稳定、易操作的特征且对正常生活影响最小的肩部活动控制方式。背部采用双重支持保障的Y字型仿生脊柱，为使用者的背部表面提供正常活动需要的维护力和牵引力。

4.1.1 Y字型仿生脊柱

Y字型仿生脊柱是由多个脊椎仿生模块组合构成的，模块化的组合方式首尾相连，在人体背部表面构成Y的形态，便于可靠的为屈曲和伸展变化得出反馈。为针对胸椎部分和腰椎部分的不同活动需求，设计了一种“互持传动”的方式为两个区域的力进行传导过渡[13]，如图7所示。图中的两齿轮轴相互啮合，胸椎区齿轮轴在上方，腰椎区在下方，基圆半径的比例可以调节，轮齿两侧的牵引线(黄)提供齿轮的初始回弹力，两侧的牵引线(蓝)分别与两区域的脊椎模块相连，在仿生脊柱伸展的状态下克服初始回弹力做功，通过这样的机构实现两个区域的串联。同时，改变上下两齿轮轴基圆的比例可调节所输入的牵引力占比，实现胸椎引导腰椎，腰椎引导胸椎的自我调节功能。

图7 互持原理机构Fig.7 Principle of Mutual Support Mechanism

脊椎仿生模块的主体由上下两个节段和四个平衡弹簧组成，平衡弹簧的基础长度比例决定了仿生脊柱自然状态下的形态，模块化的脊柱腔体单元，四个方向的弹簧来模拟脊椎间的活动，椭圆腔体更容易前后发生弯曲，其次是左右弯曲，它的长轴和短轴的关系与脊椎间纵横向可活动幅度比相同，通过形态变化实现仿生脊柱对人体控制调节的功能[14]。

首尾相连的脊柱仿生模块之间有牵引线的连接，在整体中牵引线控制着力的传导，牵引线和弹簧组的变形是均匀控制的，但是弹簧组模块的受力变形不完全受线控制，靠近背部平面的模块部分受背部曲面变化影响[15]，通过模块两个方向的不同类型控制，实现人体和仿生模块之间变形的过渡。

4.1.2 肩部控制力输入系统

在整个产品的系统中，力的传导都在其中进行，而人体对力的控制和传达都从肩部的活动模型实现，结构利用杠杆原理，将肩部力的特征转化成多倍距离的缓和力输入仿生脊柱模型，如图8所示。肩部左右拓展运动较为特殊，在生活中很少用到，为这种控制方式的专一性和有效性提供了保障。

图8 肩部力输入控制模型Fig.8 Shoulder Force Input Control Model

在系统中，当穿戴者脊柱屈曲时，仿生脊柱的弹簧阻力为使用者提供支持缓冲，防止脊柱活动带来使人体感到不适应的后果，同时把屈曲后重心下降的重力势能转化为仿生脊柱的弹性势能，储存的能量会在脊柱伸展时释放；脊柱伸展的动作需要身体克服重力做功，对于具有腰背活动功能障碍的人来说较为困难，通过肩部的纵向拓展力在支点的控制下减弱，传导至Y型脊柱的分支，均匀的发生伸展形变；力量交汇至中心的机构，带动齿轮轴引导整个脊柱的伸展，仿生脊柱储存的弹性势能和肩部控制力的输入辅助肌肉以及脊柱共同完成活动动作。

在穿戴产品的设计方案中，结合人机工程学的人体活动分析并充分考虑了可穿戴产品的结构，如图6所示。为脊椎形变提供控制力，同时以柔性方式矫正背部曲线，以更自然的方式向中间的脊柱提供力量支持。

4.2 可穿戴助力产品造型设计

依据产品设计概念和关键结构设计方案，进行产品建模渲染，如图9所示。

图9 可穿戴助力产品与脊柱模块Fig.9 Rendering of Wearable Booster Product and Spine Modules

另外，在产品的材料选择上，腰部、身前以及背部三处的固定织物采用石墨烯织物这种新型材料，石墨烯材料具有柔软和强韧两个特点，利用这种特性可解决穿戴舒适性和控制强度无法调和的问题，通过仿生脊柱的活动变化将力传导至与其连接的织物材料上，有效地和人体动作进行关联，因此在材料的选择和穿戴方式的设计上还需要做进一步的研究。整体上将仿生脊柱部分的结构空间细化，在不占用过多空间的情况下增加穿戴产品内侧的弹性织物，隐藏结构，减小穿戴感，让这款助力产品可以更和谐的融入用户的生活。

5 设计验证

验证过程首先采用德国西门子公司开发的JACK软件对助力产品的使用过程进行人机工程学分析。使用JACK软件进行模拟仿真，首先需建立数字人模型。软件中的虚拟人体为18～60岁，由于本产品针对人群多为年龄较高人群，因此模拟过程采用2004年清华大学与宝洁远东公司联合测量的中国老年人身体尺寸。选取(60～80)岁第50百分位数据作为主要尺寸。产品的模型由Rhino造型设计软件所建立，调整之后导入JACK软件中。利用JACK的动画模拟功能进行产品使用状态的动态仿真[16]，流程，如图10所示。然后对产品功能样机的助力效果进行实验验证，按照设计逻辑，穿戴者需完成穿戴前后的脊椎屈曲到伸展的动作，过程中穿戴者保持放松，使用弹簧测力计牵引样机的受力中心辅助穿戴者完成动作，记录样机在各弯曲幅度所对应的示数，为保证结果的可靠性，应选择摩擦力较小的牵引线，并减小样机受力表面在测量时产生的形变，试验后对实验结果进行分析。

图10 人机分析流程图Fig.10 Flow Chart of Ergonomic Analysis

5.1 穿戴功能人机仿真

穿戴仿真实验中，设置百分数为50的虚拟人体穿戴高度参数分别为920mm，940mm，960mm，980mm，1000mm，1020mm，1040mm的助力产品进行由站起至坐下的动作测试，如图11所示。

图11 助力产品穿戴仿真Fig.11 Booster Product Wear Simulation

通过仿真分析得出人体脊柱在各参数下的活动受力，选择第4节和第5节腰椎(L4/L5)、第4节和第5节胸椎(T4/T5)、第5节和的第6节颈椎(C5/C6)进行受力分析，如表3所示。

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

5.2 助力产品参数设计

根据文中数据分析，得出在由站起至坐下的动作状态下50百分位的虚拟人体对应相对较为合理的产品高度范围应在(940～980)mm间，不同尺寸的助力产品会在穿戴者日常活动中对其脊柱形成不同程度的助力效果，虽然模拟仿真验证对产品的穿戴舒适性的分析略有欠缺，脊柱压力和穿戴舒适度的变化关系还有待进一步的研究，但助力产品合理高度范围仍可作为穿戴者调整助力产品尺寸的基础依据，以供后续研究者参考。

5.3 功能样机实验验证

完成样机的制作之后，如图12所示。为了验证产品助力方式具有较强的可行性，分别进行普通状态、穿戴状态(肩部不助力)、穿戴状态(肩部助力)三组对照试验，使用弹簧测力计对样机受力中心进行测量。

图12 产品功能样机Fig.12 Product Functional Prototype

根据表1脊柱活动度值，选择脊柱椎关节可共同达到的最大前曲范围(0～45)°为测试范围，肩部活动位移约40mm，实验中经多次测量得到平均数据，如图13所示。

图13 样机受力随前屈角度变化图Fig.13 Force Variation of Prototype with Buckling Angle

从穿戴前后样机的受力折线图可以看出，样机模型在两种控制方式下均可正常完成活动助力，且活动过程平缓稳定，并未出现普通状态下的明显受力波动，肩部动作可为前屈动作承担一小部分力。试验结果表明，穿戴助力产品可以为人体脊柱的伸展动作提供稳定可靠的活动助力，在特定的前屈活动范围内，能够实现稳定控制脊柱曲度变化的目的。

6 结论

在人体脊柱活动分析的基础上结合人机工程学设计原则，从产品原理、产品结构、产品造型三个方面对穿戴助力产品进行设计，提出了Y型组合方式的仿生脊柱模块来实现助力的模型构想和具有结构柔性化的模块设计方法，改善了同类产品的人机协调性不足的问题。通过实验验证得出，助力结构可为脊柱的屈曲与伸展活动节省约占三分之一的力，具有较好的可靠性。本助力穿戴产品的设计在促进穿戴产品的创新中具有重要作用，不仅提高了产品的结构性能和便捷性，还从舒适性与美观程度上对其进行重新定义，为助力产品领域的设计引发新的思考。