基于跑步步态特征的膝关节助力外骨骼产品设计研究

张凡煦 曹恩国

摘要：随着外骨骼相关理论研究与设计的不断发展，助力外骨骼逐渐普及。外骨骼产品不仅是运动能力受损人群的康复辅具，而且逐渐成为人们生活中必不可少的运动辅助工具。为了提高外骨骼产品的人机协同性及助力效能，探索被动式柔性助力外骨骼的设计路径，拓展外骨骼应用场景，文章从人体跑步步态特征入手，对人体生物力学特征和步态周期性特征进行研究，总结出跑步时人体运动步态的周期性规律及能量转换规律，并提出基于跑步步态特征的下肢助力外骨骼结构设计的关键部分，从人机尺寸的选择、外骨骼关节的插齿结构设计、人体附着固定方式、弹性元件选择以及基于人机步态协同的控制策略五个方面进行膝关节助力外骨骼结构设计，并基于结构设计进行设计实践，提出三种外观方案，针对其中一种方案进行结构优化和外观细化。结合步态特征的特殊关节锁定结构实现下肢外骨骼的储能与释能助力效果，基于用户体验设计出一款符合用户需求和外骨骼设计原则的被动式助力外骨骼，实现柔性助力和轻量化的设计目标，为外骨骼产品的设计提供思路与方向，为被动式柔性外骨骼的设计研究提供借鉴。

关键词：工业设计；助力外骨骼；步态研究；运动辅具

中图分类号：R318；TP242 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）05-0-04

0 引言

膝关节助力外骨骼在运动辅助、有负载的武装部队以及生物力学研究等方面有着实际的效用。长期以来，下肢助力外骨骼致力于降低人体的能量代谢，以减轻运动带来的负荷或增强人的运动能力。基于跑步步态特征的膝关节助力外骨骼产品，可以最大限度地利用人体运动时的能量转化，发挥外骨骼的助力效用。

1 膝关节助力外骨骼概述

膝关节助力外骨骼是基于人体膝关节结构及肌肉工作原理，通过类人的机械结构设计与用户绑定，形成一体化可穿戴移动设备，成为除用户自身之外，为用户提供保护支撑的第二副“骨骼”，可以有效缓解用户膝关节在运动时产生的损耗和能量代谢。

根据驱动方式的不同，膝关节助力外骨骼可以分为主动式和被动式，其中被动式助力外骨骼利用人体运动时的储能和释能规律，回收运动时产生的能量，再反作用于人体进行助力。被动式外骨骼根据助力材料的不同，可以分为刚性材料支撑助力和柔性材料弹性助力。利用柔性材料设计的被动式膝关节外骨骼由于仿生程度更高、便携性和穿戴体验更好、造价较低，更有利于外骨骼产品的市场化普及，是外骨骼产品设计研究的热点。柔性助力外骨骼不能完全取代使用者的关节运动功能，对使用者的运动能力有一定要求，因此柔性助力外骨骼十分适合作为运动辅具产品的设计研发方向。

膝关节由于磨损后不可逆的特殊生物结构，在人体跑步时往往承受着较大的载荷，更需要保护和支撑。基于跑步步态特征的膝关节外骨骼设计在提升外骨骼的人机配合水平和可用性、拓展膝关节外骨骼的应用场景以及优化外骨骼的用户体验方面具有实际价值。

2 人体跑步步态特征

2.1 跑步步态周期特征

人体在行走或者跑步时的肢体运动呈现出周期性规律，因此步态周期被当作步态特征分析的基本单位，当一只脚接触地面时，步态周期开始，当同一只脚再次接触地面时，步态周期结束。从脚接触地面到离开地面，这一阶段被称为支撑相；从脚离开地面到再次接触地面，这一阶段被称为摆动相。步行和跑步的支撑相与摆动相，存在进一步的细分。

通常认为，区分步行与跑步的步态标志是步行在支撑阶段存在双脚触地的特征，而跑步在摆动阶段存在双脚离地的特征。在步行步态周期中，支撑相占整个步态周期的50%以上，而在跑步步态周期中，支撑相在整个周期中的占比随着速度的提高而逐渐降低。研究表明，在跑步步态周期中，支撑相通常结束在周期的36%～39%，一些顶尖短跑运动员甚至可以将支撑相压缩到整个周期的22%。跑步步态中，随着速度的提高，脚接触地面的部位会逐渐前移，由后脚转移到前脚。但无论速度如何，步态周期都会存在交替的加速周期和减速周期，被称为储能阶段和释能阶段，在这一过程中存在下肢運动的能量转换。

2.2 跑步的生物力学特征

步行和跑步时，膝关节的运动情况是类似的，但运动的极限和负载是不同的。相较于步行，跑步时膝关节弯曲和伸展的角度更大，这是由跑步时更高水平的能量转换所决定的。在跑步时，膝关节角度的变化也呈现出周期性的规律，相较于其他关节，膝关节运动角度的变化更为明显，呈现先增大后减小然后再增大的变化趋势。

在步行活动和跑步活动中，动能与势能之间的转化规律有很大区别。在跑步活动中，运动效率主要通过人体下肢弹性结构的拉伸储能和弹性势能的释放来维持，势能和动能的转化并不明显。在跑步过程中，势能和动能在摆动相中段达到峰值。当重心向地面下降时，势能就损失了，当脚接触地面时，动能也会损失。大部分失去的势能和动能被转化为弹性势能，并储存在肌肉、肌腱和韧带中。在摆动阶段，质心向上加速，势能和动能都增加。这种运动的能量由肌肉的主动收缩和韧带及肌腱的瞬间形变释放的弹性势能提供。因此，下肢弹性结构中的能量储存在跑步中比在步行中发挥更重要的作用。但即使是这种理想的能量储存与释放，也会产生显著的肌肉代谢成本。这一生物力学特征为后续弹性元件和储能元件的设计提供了指导。

3 基于跑步步态特征的下肢助力外骨骼结构设计

膝关节助力外骨骼是基于跑步步态的周期特征及生物特征，通过附着在人体外部的弹性元件储能并在一定时刻释放能量，从而达到降低膝关节负荷和运动时产生的代谢成本的目的。膝关节助力外骨骼设计分为五个关键部分，分别是人机尺寸、人体附着固定、外骨骼关节、弹性元件、控制策略。

3.1 人机尺寸

在设计下肢外骨骼时，人体的基本尺寸需要考虑在内［1］，由于本研究是针对下肢外骨骼的设计，所以必须了解人体大腿长、小腿长以及足部长度。根据国标成年男性与女性人体尺寸对照表［2］，可得到人体尺寸P1、P5、P10、P50、P90、P95、P99的身高及大小腿长度的百分位数据。另外，根据《人体工程学图解》，可以得到人体踝关节到足底长度及足部长度的相关数据。下肢外骨骼的设计与人体的尺寸密切相关，要考虑大多数人的适用情况，因此选取人体尺寸90百分位到99百分位的数据作为参考。

3.2 人体附着固定

膝关节外骨骼的附着固定对外骨骼的有效性十分重要，既要保证固定的稳定性，又要保证不妨碍人体的正常步态，同时还要防止外骨骼产品与人体下肢发生相对偏转。由于弹性膝关节外骨骼需要有跨越膝盖的弹性材料，所以外骨骼存在两个基本的人体附着固定端，靠近髋关节的一端被称为近端，靠近足部的一段被称为远端。近端的固定点选择髋关节下方的合适位置，通过刚性连接与绑带将外骨骼与大腿固定，大腿肌肉可以限制外骨骼向上移动，在外骨骼发挥作用时，返还的弹性势能将通过摩擦力为大腿提供向上的辅助力量。远端的固定点由于关系到膝关节外骨骼的锁定与解锁，所以设置在足部接触地面的部位。根据前述研究，跑步时足部触地位置为前脚掌，因此将远端固定点设置在前脚掌跖骨间关节外侧，通过刚性材料足蹬与绑带将外骨骼与足部固定。

从理论角度来说，弹性材料的长度越长，下肢外骨骼的效用越强，但若近端固定点在髋关节以上，则其固定和穿戴将变得更加困难。本文所述外骨骼近端与远端的固定方式是综合产品性能与固定强度的结果。

3.3 外骨骼关节设计

Yagn曾在1890年提出了一种平行式的弹性外骨骼，该装置通过每条腿外侧平行的外部被动弹簧来传递载荷，从而降低生物载荷，增强穿戴者的跑跳能力。但这种跨越膝盖的被动弹性材料在摆动相时会抵抗膝盖的弯曲，无法与膝关节角度的周期性变化同步。

要使外骨骼不干扰人体正常的步态，就需要外骨骼关节精确锁定在膝盖伸展的最大角度，确保弹性材料在脚触地的同时开始变形，最大限度地储存能量，并在随后的摆动相之前解锁，返还能量且不影响膝关节的正常屈伸。跑步步态虽然存在规律性的周期变化，但是用户跑步每一个周期的步幅都不可能与上一个周期完全相同，反映在外骨骼上即跑步步态每一个周期的膝关节角度活动范围是不同的。因此要将外骨骼关节角度设置在一定范围之内，并合理地设置锁定挡位，以此消除用户步幅的随机性对外骨骼可用性的影响。

前述研究表明，用户跑步时脚触地瞬间的膝关节伸展角度受速度影响，速度越大，膝关节最大伸展角度就越大。根据运动学的相关研究，人体以不同速度跑步时，足部触地瞬间的膝关节角度为130°～175°［3］，因此根据近端和远端的固定点及弹性杆的长度，计算出外骨骼关节在用户足部触地瞬间的角度范围为120°～160°。在此角度范围内设计外骨骼关节插齿结构，与插头啮合进行关节锁定，每个挡位之间的角度适配则通过在外骨骼关节设计中提供3.5°的活动自由度来自适应每个挡位的锁定。

外骨骼关节通过插头和插齿的插入啮合进行锁定，插齿是根据反曲线和渐开线原理设计的特殊齿状结构，根据前述角度分为若干个档位，上方活动转槽为插齿结构提供3.5°的转动自由度。插头根据插齿形状而设计，确保在用户足部触地时膝关节伸展的角度范围内任意角度都可以准确插入插齿，且不会脱出齿槽，为外骨骼关节提供锁定，在重力势能和动能的作用下促使弹性杆发生形变，进而储存弹性势能。

3.4 弹性元件

外骨骼的弹性元件由位于可锁定外骨骼关节近端和远端的半刚性玻璃纤维复合材料组成。玻璃纤维材料具有良好的耐腐蚀性，抗拉强度大、弹性模量高，抗冲击、抗疲劳性能良好，是生产制造运动辅具的常用材料。目前，玻璃纤维增强复合材料由于能够有效减轻结构重量等性能，已被广泛应用于滑雪板、高尔夫球杆、网球拍、自行车等运动器材中［4］，并且应用的范围正在不断扩大。使用玻璃纤维复合材料制作助力外骨骼产品的弹性元件，可以满足产品的助力和强度需求。

3.5 控制策略

本研究设计的是被动式柔性外骨骼，控制方面不使用额外的子器件或传感器等，而是基于与步态相协同的机械结构控制方式，通过步态的周期性变化对外骨骼关节进行锁定与解锁，其关键控制节点主要集中在支撑相階段。在步态周期的不同阶段，外骨骼的状态如下。

第一，支撑相开始：足部触地，随着大腿绕膝关节继续前摆，膝关节自然伸展角度达到最大值，并且足部触地位置逐渐过渡到前脚。

第二，支撑相前期：膝关节伸展至最大角度，外骨骼在跖骨间关节的触头由于前脚的触地而向上运动，通过足部的行程放大结构，向上使外骨骼关节的插头与插齿结合，锁定外骨骼关节，锁定的意义是使外骨骼关节近端与远端的弹性杆件不发生相对转动。

第三，支撑相中期：人体膝关节自然弯曲，膝角变小，髋关节向前向下运动，弹性杆件弯曲储能。

第四，支撑相后期：髋关节向上运动，膝关节角度变大，足部由脚跟至脚掌逐渐离地，此时由于足部前掌仍然触地，外骨骼关节仍处于锁定状态，这一时期外骨骼弹性杆件释能。

第五，支撑相结束：前脚掌离地，外骨骼位于跖骨间关节的触头脱出，外骨骼关节的插头与插齿分离，外骨骼解锁，解锁的同时伴随着释能阶段的结束。

第六，摆动相阶段：由于足部悬空，外骨骼关节处于解锁状态，外骨骼随自然步态摆动。

4 膝关节助力外骨骼造型设计

4.1 草图方案

外骨骼的外观设计应该基于用户体验，以确保用户在使用外骨骼时感到舒适、自信和自然。外骨骼外观设计应遵循以下基本原则。

第一，人性化：外骨骼设计应该尽可能地融入人体工程学原理，符合人体结构、比例和运动规律，使用户感到舒适自然。

第二，个性化：外骨骼设计应该考虑到用户的个性化需求，为不同用户提供不同的外观和颜色选择。

第三，安全性：外骨骼的外观设计应该考虑到使用时的安全性，避免突出的零部件可能造成的危险。

第四，易理解：外骨骼的外观应该简单明了，使用户容易理解和使用。

第五，轻量化：外骨骼的外观设计应该尽可能轻盈、紧凑，减少不必要的材料和零件，提高外骨骼的便携性和舒适度。

第六，美观性：外骨骼的外观设计应该考虑到美观性，让用户感到自信和舒适，从而更愿意使用。

基于以上原則进行外骨骼造型方案设计（见图1）。

方案一：本方案造型以外骨骼产品功能为核心，去除多余造型元素，使产品尽可能简化和易于理解。产品造型主要分为三个部分，分别是身体附着部件外观设计、外骨骼关节外观设计以及足端固定部件造型设计。承受载荷的关节部件和连接部件采用钣金折弯加工方法，弹性杆为玻璃纤维杆切割加工，弹性杆近端和远端连接部件为塑料件，大腿腿套为透气硬质海绵，绑带为尼龙材料。本方案造型简约，功能结构显化，易于用户理解，重量较轻。

方案二：本方案是对方案一的造型优化及结构加固。在大腿附着固定处，增大固定塑料板件的面积，使固定更为稳定。另外，去除方案一中大腿近端的轴承座，以降低产品重量。通过外骨骼关节造型的进一步优化，削弱产品的机械感和工具感，通过整体化外观增强外骨骼关节造型的产品感。同时，对玻璃纤维杆近端和远端的连接件形状进行优化，提高其结构强度。

方案三：本方案外观造型在造型语义上多采用曲线，凸显外骨骼产品的运动辅具属性，拉近与用户的距离，整体结构紧凑，造型美观。相较于前两个方案，对外骨骼关节中的结构部件进行造型优化，进一步消除机械感。另外，改进近端和远端的固定部件，近端增大与腿套连接的塑料板件的面积，对腿部固定件设计镂空造型，减轻产品重量并强化产品造型属性。足底部件减少体积，优化绑带固定位置，增强用户足部与外骨骼的连接稳定性。

基于整体外观造型和穿戴体验对上述三个方案进行评估，方案三造型更符合本外骨骼的产品定位，在造型美观性和穿戴舒适性上具有优势，因此对方案三进行结构优化和造型细化。

图1 产品方案草图及产品效果图

4.2 三维建模及渲染方案

外骨骼产品主要由四个部分组成，分别为位于髋关节下方的近端固定部件、外骨骼关节、足底远端固定部件以及弹性玻纤杆。考虑到用户需求，为了实现轻量化的产品设计目标，尽可能减少金属件的使用，在必要的受力金属件上使用轻质铝材料。塑料部件使用“PLA+碳纤维”的复合材料，提高材料的强度，使产品塑料件能够承受长期大量的弯折受力。在穿戴便捷性方面，用户可以根据身高体型及需求的不同，更换不同长度和直径的玻璃纤维弹性杆，安装快速便捷。为了尽可能减少用户穿戴的步骤，产品绑带采用魔术贴粘带，方便用户快速穿脱外骨骼。

从产品美观性来看，产品整体造型简约，语义清晰，功能区块明确。配色方面，本产品采用黑色和绿色，黑色作为产品的主体颜色，中性沉稳，增强产品的一体性，同时在视觉上弱化产品的体积感。少量的绿色可以增强产品的运动属性，给人带来健康的心理感受。另外，绿色可以为产品带来环保、轻量的视觉感受。

5 结语

外骨骼作为人体运动的辅助工具，是人体关节骨骼和肌肉的延伸，也是人体能力的拓展。随着外骨骼相关理论和设计的发展及相关产品的不断普及，外骨骼产品不再只是病患的康复器械，拥有运动能力的人群同样需要外骨骼来辅助运动，增强运动能力或提供运动防护。基于跑步步态特征的外骨骼产品设计可以拓展外骨骼产品的应用场景，同时对提高被动式外骨骼的人机运动协同性有很大益处。本研究为外骨骼产品的设计提供了思路与方向，具有一定参考意义。

参考文献：

［1］ 邢嗣威，金信琴.人机工程学在老年人助行器中的应用［J］.设计，2018（3）：113-114.

［2］ 国家技术监督局.中国成年人人体尺寸：GB/T 10000—1988［S］.北京：中国标准出版社，1989：1-17.

［3］ 崔旭艳，任占兵.跑步速度对中长跑运动员步态的影响研究［J］.沈阳体育学院学报，2014，33（3）：122-126.

［4］ 牛忠旺，曹丽丽，李其朋.玻璃纤维增强复合材料的应用及研究现状［J］.塑料工业，2021，49（S1）：9-17.

作者简介：张凡煦（1998—），男，山东济宁人，硕士在读，系本文通讯作者，研究方向：工业设计与产品战略。

曹恩国（1983—），男，河北秦皇岛人，博士，副教授，研究方向：工业设计与交互设计。