基于用户体验的下肢助力外骨骼设计

徐祺 曹恩国 武小玲

关键词：用户体验 外骨骼 产品设计 下肢助力 用户研究

引言

徒步运动成为近年来的热门运动项目，越来越多的人们参与到该运动中来，但高强度和长时间运动容易因运动疲劳而造成肌肉损伤。国内外有很多针对徒步运动伤害的研究，其中多为研究长途步行造成肌肉骨骼损伤和代谢伤害的生理原因以及受伤后人体的紧急处理措施或伤后治疗等，但针对徒步损伤物理预防的研究是稀缺的。随着科学技术的发展，助力外骨骼进入人们的视野，用被动式助力外骨骼来缓解长途徒步运动伤害成为了一种新的研究思路。

一、用户体验概述

基于用户体验的设计，应当深入了解目标用户其行为，生理以及心理诉求。[1]设计师需要总结出目标用户的一般特征。了解目标用户的年龄区间，以便推断出目标用户的身体素质情况；了解目标用户的职业，从而知道目标用户的大致生活规律及其生活特点；了解用户的文化背景，教育背景，品牌喜好等，通过这些信息推断出目标用户对产品设计审美层面的偏好。基于用户体验的設计，即以用户的体验为中心进行设计，关注到用户在使用产品的整个旅程中的心理变化，感受变化，行为变化，找到旅程中的痛点与可切入点，用设计解决用户的需求。[2]

二、用户行为特征分析

（一）目标用户特征分析

1.身体状态：目标用户皆为18岁以上的成年人，因此具有一定的运动能力，在生理上没有残缺，不需要外接设备去进行太多的助力干预。用户群体主要以男性为主，他们需要兼顾工作与家庭生活，不常运动，大量运动会感到疲惫，且随着年龄的增长身体素质会下降。对于此类人而言，进行适当的运动是可取的，但在进行高强度运动时，应注意保护自己的下肢，以免受到运动损伤。

2.心理状态：下肢助力外骨骼的目标用户，希望通过外骨骼辅助自己进行高强度的运动，避免运动损伤。在一般人看来使用助力外骨骼的人身体有残缺，但实际上被动助力外骨骼是辅助型的外骨骼，不代表使用者身体有残缺。如果使用外骨骼让其他人对他们过度关注，会造成他们情感上的不适与压抑。

3.运动特征：目标用户运动强度中等偏高，需要进行持续的运动输出，且中途不易退出。运动时间一般较长，至少2～3个小时，至多能达到8～10小时，此类人群一般有较好的身体素质，前期凭借自身的体能完成任务，但容易在运动的后段耐力不足，体力不支，产生肌肉疲劳。用户本身进行的运动强度较大，因此尽量不要让外骨骼产品成为他们的额外负担，在设计上应尽量减少产品的重量，以轻便方便携带为主。

（二）目标用户行为分析

如图1所示，对用户运动流程进行梳理，得出用户旅程图。在此途中徒步运动，都统称为运动。准备运动阶段，即在运动之前准备行李物品的阶段，此阶段用户并没有开始进行运动，因此对旅程是充满期待的，但也会有些许担心运动后期体力跟不上。运动前阶段用户希望携带物品尽量轻便，不要给身体造成太大的负担。接下来是开始运动阶段，在此阶段用户精力充沛，感到整体感觉比较轻松。运动前期阶段用户依然可以正常完成运动任务，运动目标感觉良好，但内心并不能确定是否可以坚持到最后。运动中期用户步伐变得稍微慢一些，但依然能跟得上整体运动的节奏，有些疲惫感，下肢在做抬升运动时明显变得费力。到运动后期用户需要进行简单的休息才可以继续运动，明显感觉到小腿酸痛，体力有些跟不上，希望能够得到休息后再继续前进。结束运动后用户的状态明显十分疲惫，会对酸痛部位进行按摩，小腿和膝盖部分有些酸痛。

从用户行为旅程图中可以分析出用户的痛点，前期集中在出行要准备的东西多，且比较重。运动中后期痛点主要集中在用户会感到疲惫，希望能够得到支撑或助力。从用户运动流程以及用户痛点可以归纳出用户需求，用户希望有一个轻便的助力工具，方便穿戴，操作简单，穿戴舒适，能够有效助力，方便脱卸。[3]

将外骨骼的使用流程与用户运动旅程各阶段相结合得到穿戴助力外骨骼在运动各个阶段的交互点，在切入外骨骼使用流程以后，通过分析可将用户需求转化为产品需求，总结得出产品需要轻便穿戴，高效助力，造型契合场景，穿戴舒适，脱卸便捷。

（三）目标用户需求层次分析

情感体验是用户体验中不可或缺的一部分，之所以要关注情感体验，是因为用户是产品设计的中心。在唐纳德·诺曼的《情感化设计》一书中提出了情感化设计的三个层次，分别为本能层，行为层和反思层。[4]在每个情感化层次中都对应着相应的情感化需求。本节主要讨论在下肢助力外骨骼的设计中，用户在这三个层次中的需求。

1.本能层需求分析：本能层所描述的是用户在看到产品时或使用产品时的第一感觉。本能层的需求也就是最直观的用户需求，即用户在第一眼看到产品时所产生的视觉感官。这一层次的体验直接与产品的色彩造型息息相关，用户希望能对产品一见钟情。

2.行为层需求分析：行为层更关注的是用户的使用体验。下肢助力外骨骼产品而言，其穿戴的便捷度，穿上的舒适度以及脱卸的效率等都可以成为影响使用体验的关键因素。行为层顾名思义是与用户的行为息息相关，在这一层面要求产品易于学习，易于理解，易于掌握，在外观的设计上，产品能够通过造型语言来表达产品意图，在操作性上表现为用户操作界面友好，能适应不同的环境，能兼容不同身体特征的用户。

3.反思层需求分析：从要求产品不仅在外观上能使用户感到愉悦，在行为层面能使用户感到其作用，更在精神层面上与用户一定的慰藉。在这一层面上要求产品是符合人机关系的，可靠的安全的，这样才能够让用户更加信任产品，从而依赖产品。在反思层面也需要产品消除医疗感，以防用户产生自卑消极的情绪。用户希望在使用产品时感受到产品是可靠的、酷的、别具一格的，能在使用过程中得到情感尊重与价值肯定。

三、基于用户体验的外骨骼产品设计定位

（一）整体设计定位

本产品的人群定位为徒步运动爱好者，他们处于18～40岁之间，有相对较好的体力，能进行一定强度的运动。但在长期高强度的运动后期会出现肌肉疲劳从而会导致运动损伤。他们希望能在运动中保存体力，在避免运动损伤的前提下完成运动任务。考虑到此类人群的行为特点，基于目标人群的下肢外骨骼产品设计定位有以下几点：

1.产品重量轻便：無论是徒步运动行军还是负重运动的特殊工作者，在运动时都会携带一些有重量的行李。在携带负重行李的条件下，外骨骼产品也需要尽量减少重量。产品设计中应将一些不必要的结构进行镂空处理，在材质的选用上尽量采用轻质且强度大的材料。

2.方便穿戴：用户可以选择在需要的时候随时穿戴上助力外骨骼设备。因此在穿戴时可能会处于运动中的场景，那么就要求外骨骼产品必须方便穿戴。尤其是在工作场景中穿戴外骨骼这一动作应尽量快速以免拖后运动任务进程。

3.操作简单：从结构设计的角度出发，整个产品在穿戴前只需要进行与身体特征适应的尺寸调节，弹性元件长度的调节。在行走助力过程中，只需要按照原有习惯的步态正常行走，即可进行助力。那么在外观设计优化阶段，需尽量保持结构设计的功能性，简约性，不增加其他复杂的操作。

4.穿戴舒适：作为一个穿戴产品，穿戴的舒适度是评价其设计优劣的重要指标。穿戴舒适设计上，首先要保证结构零件不散乱地裸露在外。在下肢包裹的部分采用柔软的材质，受力部分尽量使其面积大，以减小局部压强，以免腿部局部受力过大，产生疼痛感。

5.能够有效助力：只助力外骨骼是否能够有效助力是产品设计的关键。在前期进行数学模型与动力学仿真分析验证其有效的前提下，外观造型设计需考虑到是否能兼容产品结构，外观与结构不发生冲突，不产生干扰，高效实现助力效果。

6.方便脱卸：用户在使用完助力外骨骼产品之后，需要能够快速方便地脱下外骨骼并且收纳好。因此要求产品脱卸与穿戴一样简单快捷。

7.造型消除医疗感：从用户心理感受出发，要求下肢外骨骼造型设计，能够消除医疗感，避免用户产生消极压抑的情绪，在设计产品外观造型时，尽量将设计语言定义为酷的，使用的，可靠的。让用户在使用产品时产生积极向上的正面情绪，避免因为产品的造型语义偏差被身边其他人理解为残障人士。

（二）造型定位

助力外骨骼的设计，旨在为长时间徒步行走的人提供下肢助力。需要在造型上考虑到安全性，利用性，舒适性以及情感化。

1.安全性：下肢助力外骨骼的使用环境户外，因此产品的安全性将是重要考虑因素。在造型设计上应尽量避免尖锐的角，保证下肢外骨骼与人体的接触面足够大，避免产生过大压强。

2.易用性：大多数人对外骨骼的使用方式都感到陌生，因此我们需要采取最简单的设计方式，让用户更容易理解外骨骼如何使用。使用时，最频繁的操作是穿脱外骨骼。在绑带设计上可采用魔术贴的方式，能够快速将外骨骼与人体大腿绑定。

3.舒适性：外骨骼的内饰与舒适性息息相关，需采用柔软的材质，在设计上也需要考虑材质之间的结合与搭配。本设计拟考虑采用泡沫材料制作产品的内衬，外部包裹其他布料。内饰放置在骨骼与大腿中间，增加产品的舒适度。

4.情感化：造型设计需考虑情感化，助力外骨骼在运动场景中使用，在造型设计上需要更加沉稳，更多速度感，力量感，不宜采用过于圆润的线条造型语言。

（三）色彩定位

在产品设计中色彩表达了不同的情感，是最直接的视觉冲击，除了审美需求，色彩设计还需满足产品的功能需求，协调需求，环境需求。

1.色彩的功能性：除了能带来最为直观的审美特征，同时存在功能性，例如设备的急停开关就必须采用红色。红色鲜艳，主体鲜明，能让人联想到紧急、刺激、强烈等词汇。助力外骨骼的设计时，可参考运动设备的配色，让产品更有活力。

2.色彩的协调性：观看到产品的色彩时，应产生快乐愉悦的感觉，色彩搭配与整体造型设计需协调统一，不应有违和感。

3.色彩的环境适配度：户外使用的产品往往会面对相对恶劣的环境，因此不宜采用浅色系配色，低饱和度，低明度配色会让人感到产品更耐脏耐磨。

（四）材质及表面处理

产品材料的选择不仅与产品的功能要求有关，还影响着产品外观，舒适度，安全性，制造成本等，不同的材料使用，会给用户带来不同的视觉感受和审美感受，材料的加工制作方式甚至可以影响用户使用产品的效率。

1.材质选择与产品外观：不同材质所表现出来的肌理质感，加工方式，表面处理方式都有所不同，这些直接影响到产品外观设计的表达。在外骨骼产品造型设计上，可采用塑料材质与金属材质或碳纤维结合的方式，受力部位采用金属材质，非主要受力部位采用塑料材质或碳纤维进行造型点缀。

2.材料选择与产品舒适度：外骨骼包裹部位的材料需选择亲肤，柔软，透气的材料，需有一定厚度，减少外骨骼对腿部作用的压力。绑缚材料也需要柔软，以免勒伤用户，需要易于绑缚和解绑。在设计产品时还应充分考虑材料的环保性，选择低污染甚至无污染，可降解，可回收再利用的材料，充分考虑环境因素，遵守绿色设计原则，是每个设计者的责任。

3.材料选择与产品的安全性：材料需要能够承受外部施加的力，以及来自环境的破环。除材料需要承受外部力量外，还需要考虑材料对人体的安全性。

4.材料选择与产品加工成本：在原型试制的时候，需尽量减少投入成本，设计时需尽量采用经济的材料，若产品局部对材料要求很大，则可考虑局部特殊处理。

四、基于用户体验的下肢助力外骨骼设计实践

（一）人机交互分析

1.人体尺寸特征适配：下肢助力外骨骼以绑缚的形式穿戴在人体下肢，需要考虑适应人体尺度。良好的适配度能带给用户更佳的穿戴体验。产品需要能够调节大小腿长度尺寸，可根据人自身的腿围来调节包裹部件。绑缚程度以及舒适度也需要根据自身状况来进行调节，使外骨骼穿戴时能够呈现出最佳的状态。

2.人体运动特征适配：除了要考虑人体在穿戴助力外骨骼的静态舒适度之外，需要考虑用户在运动时外骨骼是否会阻碍人体一般运动，因此外骨骼适配人体动态舒适度十分重要。

（1）关节位置适配：在人體动态运动时，人体与外骨骼关节位置尽量要保持一致，否则会在运动时导致关节匹配错位，轻则影响外骨骼助力效果，严重时甚至会干扰用户运动，导致危险发生。

（2）动态尺寸适配：外骨骼设计能在理论上满足人体运动范围，但在具体的设计中需要考虑到动态尺寸的适配。外骨骼活动关节的夹角需满足大于人体正常运动时关节所产生的角度，防止人体在运动时被外骨骼机械束缚住，无法进行正常的伸展。

（3）多运动状态适配：人体运动有多种状态，简单概括为行走、跑步、蹲起、上下楼梯四种运动状态，人体运动环境复杂，动作多变，人与人之间的运动姿势也不尽相同，因此提高系统的相容性，是外骨骼设计的重点与难点。

3.人机交互清晰简洁：在进行人机交互时，用户需要很明了地知道产品的每一个部分的用法，造型语言需要有所指示性，能让用户易理解，好操作。在穿戴过程中，用户与外骨骼产生最多的交互过程是在穿戴和脱卸外骨骼时。友好的交互方式，可以减少用户的学习成本，避免用户产生畏难和沮丧的情绪，提高产品的用户体验感受。

（二）人机尺寸分析

在设计下肢外骨骼机器人，人体的基本尺寸需要考虑在内，由于本研究是针对下肢外骨骼的设计，因此了解人体大腿长，小腿长，以及足部长度是有必要的。[5]参考国标成年男性女性人体尺寸对照表，如表1、表2，可得到人体尺寸P1，P5，P10，P50，P90，P95，P99的4个百分位数据。[6]

外骨骼的设计尺寸与人体基本尺寸息息相关，因此考虑到需适合大多数人使用，选取人体尺寸表格内90百分位到99百分位之间的数据作为参考。[7]

通过对人体下肢关节运动的自由度，动作，角度范围研究，如表3，可以外骨骼与人体适应性的设计作出参考。

外骨骼小腿连杆上下端分别连接大腿连杆与足底零件，对于身高在1.55 - 1.85米之间的用户是可调节的，小腿部分是整个助力外骨骼腿的支架，其他零部件是以小腿骨支架作为支撑，装配成为一个整体。保证小腿干可调节位移为 60mm，保证身高在 155cm 和 185cm之间的人舒适穿戴。

（三）下肢助力外骨骼造型设计

1.方案草图：在正常步态下，人体下肢与地面的接触过程可分为着地阶段，直立阶段、离地阶段。在着地阶段，下肢着地弹性元件处于原长状态，经过直立阶段到达离地前阶段这一过程中，人体的动能与重力势能逐步转化为弹性势能压缩弹性元件。在离地阶段，弹性元件释放弹性势为人体向上与向前运动提供动力。人体负重越大、速度越高，弹性腿系统储存和释放的能量越多。基于以上助力原理，以用户体验为指导，设计了三个下肢助力外骨骼方案，如图2。

方案一：本方案采用了F形的造型语义，大腿部分采用了一个正向的F形，而小腿包裹部分采用了一个倒放的F形状。主体骨架采用铝合金材质，绑带采用尼龙魔术贴，旋转处用塑料件包裹轴承，足底部件采用铝合金材质，运用切割和折弯技术加工。弹性元件使用橡皮筋，通过橡皮筋的伸缩来实现储能和释能。本方案在造型上有创意性的突破，能带给人较为舒适的感官效果。但方案中小腿部分绑带在腿后部，在穿戴时效率低下，不利于腿部放置。大腿部分铝合金材质，整体面积较小，可能会对腿部造成过大的压力。

方案二：本方案在方案一的基础上做了一些调整。小腿部分的包裹件放置在小腿后部，绑带放置在小腿前部，更加方便用户穿戴。将大腿的包裹部件加宽，增大接触面积，以减少对腿部的压力。同时为了减轻大腿与小腿部分的重量，采用了镂空的形式。大小腿包裹部分采用塑料材质，与铝合金相比更加柔软，可塑性更强。并且大腿部分可拆卸，可以根据用户的腿围自行选择尺寸合适的大腿包裹零件。小腿部分采用了可调节的方式根据不同人体小腿长度进行自适应调节。

方案三：本方案在大腿与小腿包裹处采用了软质塑料的材质，更加柔软，穿戴舒适性更强。采用了大面积包裹的形式，能更大限度地减少对腿部的压力。绑带部分依然采用尼龙魔术贴，穿戴效率高。本方案的缺点在于大面积采用软质塑料材质形成包裹，在视觉上会显得臃肿，造型语言较为普通，没有特别的创新之处，与市面上现有的医疗产品相类似。

对以上三个方案进行综合评估，方案二在视觉体验以及穿戴体验上都有明显优势，故对方案二进行深入优化。

2.三维建模及渲染方案：如图3、4、5方案整体分为三个部分，第一部分是大腿及膝关节零部件，第二部分为小腿零件，第三部分为足底零件。

从用户体验舒适性考虑：

大腿包裹零件内侧采用了软质PVC材料，大腿与外骨骼接触时更加舒适柔软。为适应不同腿围用户，将大腿包裹零件设计成可拆卸部件，用户可挑选适合自己的尺寸安装。小腿部分采用可快速调节结构，方便用户进行个性化尺寸调节，让外骨骼与自身形成最佳适配。

从用户体验操作便捷性考虑：

将绑带设置于大小腿前部，方便快速穿脱外骨骼。

从用户体验审美感受考虑：

如图6方案采用橙色与黑色的配色方案，避免产品有医疗感，给用户带来心理上的不适。橙色小面积点缀赋予产品更多运动感与活力感，黑色作为外骨骼主体颜色为产品增加沉稳可靠感。造型语言上采用F的形态，给予产品更多流畅的动感。

产品细节优化，提升用户体验：

小腿长度调节部分，采用了快捷按键，方便用户无工具调节，用户可按住调节按钮拉伸小腿零部件长度对其进行调节。为适应不同腿围的用户，将大腿零件设计成可拆卸方式，设计不同尺寸的大腿包裹部件，可按需更换使用。如图7。大腿及小腿包裹部分采用了镂空的形式，主体采用碳纤维材质，在保证强度的前提下，减轻产品重量；针对裸露的零件，设计了橙色外壳，使产品整体感更强，用户不会被裸露的零件干扰。

结论

助力外骨骼产品为功能性产品，其最重要的是助力功效，设计师在设计助力外骨骼时，将重点放在助力原理及其效果上，往往忽略了外骨骼产品的用户体验。但用户体验直接与产品的使用效率和用户使用意愿度相关。因此设计师需基于用户体验对外骨骼产品进行设计。设计需满足用户的使用舒适体验与情感舒适体验，首先需要确定目标用户，分析用户人群特征与行为特征，复现用户使用产品时的体验路径，了解用户体验需求。在调研分析的基础上对外骨骼产品进行设计定位，根据设计定位展开设计实践。本设计流程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。