儿童康复外骨骼产品设计

平雅沁1唐智川1(1.浙江工业大学)

作者简介:唐智川,博士、浙江工业大学社科院学术副院长,教授,工业设计系主任,入选浙江省高校领军人才培养计划。主持国家自科基金、国家社科基金等项目10项;发表论文60余篇;获中国商业联合会科学技术特等奖、红点至尊奖。

浙江工业大学办学特色

我校工业设计专业先后入选浙江省重点特色专业、浙江省优势专业、国家级一流本科专业建设点;2022软科中国大学专业排名前12%(A）。本专业拥有国家中小企业公共服务平台、浙江省工业设计技术创新服务平台、浙江省工业设计研究院等平台,依托这些平台成立30余家校企联合研发中心和校外实践基地服务浙江省区域经济与中小企业,近三年重大横向项目20余项,科研到款超3000万。本专业拥有教育部高等学校机械类专业教学指导委员会工业设计专业教学指导分委员会委员1人,浙江省高等学校本科教学指导委员会设计学类专业教学指导委员会副主任委员1人;获国家级教学成果奖1项、省级教学成果奖3项;连续六年在省属高校同专业中录取分数最高;近三年学生获互联网+、挑战杯、红点奖、全国大学生工业设计大赛、国家大学生创新创业训练计划等省部级以上奖项100余项。

作者阐述

据统计,全球有近2.4亿残障儿童。他们中的大多数存在肢体运动障碍,需要尽早进行运动康复治疗。外骨骼机器人技术已广泛应用于运动康复领域,能够实现肢体的主被动运动辅助。但市场上针对儿童患者的康复外骨骼产品仍较少。VRehab儿童康复外骨骼的设计目标是在更自由的应用场景下,使儿童在科学、有吸引力的康复流程中使用更智能的康复产品：将虚拟现实游戏融入运动康复,不仅提高儿童在康复训练中的积极性和配合度,沉浸式的信息反馈也能够进一步提升康复效果;产品造型提取自儿童喜爱的动画角色,减少医疗产品给儿童带来的心理压力。
VRehab配备了针对儿童的辅助康复VR游戏。趣味性的游戏引导儿童进行下肢康复运动,能够在训练过程中调节儿童的情绪,消除抵触心理,促使儿童积极地进行下肢康复训练。通过MPU采集外骨骼运动信号实现游戏虚拟人的控制,同时家长可以在PC端实时观察下肢运动情况的反馈。
导师点评：脑性瘫痪是儿童致残率最高的先天性疾病,发病率高达1.8%〜4%,患儿由于神经性损伤,会出现肢体运动障碍,严重影响日常生活质量。
目前,面向脑性瘫痪儿童的康复模式存在康复依靠人力且康复师资源不足,康复价格高昂,效率低等缺陷,康复场景拓宽成为康复模式优化的主要目标。康复场景的拓宽需要依托智能康复设备,市面上成熟的康复机器人产品均面向成人,可供成人在家庭、社区等场景下进行康复,而专为儿童设计的康复机器人产品仍未落地使用,缺乏满足儿童生理、心理需求的康复产品。此外,康复训练的过程枯燥乏味,患儿存在注意力不集中、产生抵触心理等影响康复效率的负面情绪。

设计一款下肢康复外骨骼机器人产品

在此背景下,本课题针对具有肢体运动障碍并处于康复后期的神经损伤疾病儿童,设计一款下肢康复外骨骼机器人产品。
本课题设计一款面向儿童用户的下肢康复外骨骼产品,包括符合儿童人机尺寸的下肢外骨骼硬件和交互式的趣味康复训练系统。通过人机交互的闭环控制系统,同时满足主被动康复训练模式,并辅助以游戏化的康复流程以及实时生理数据反馈康复进程,实现辅助康复产品智能化、个性化的康复训练。作者在设计前期首先采用文献研究法,通过大量的相关背景文献了解目前儿童康复外骨骼研究现状和主被动康复训练的流程研究现状,将虚拟现实和增强现实技术应用于康复运动领域的发展现状,以及康复领域人机交互的相关技术知识,并对目前的儿童康复运动类产品进行同类竞品调研,分析目前市面上产品共性和特性的问题,总结和归纳儿童产品设计过程中需要注意的内容以及产品的形态色彩特征规律。
其次,通过用户观察和用户访谈法,对目标用户的行为习惯、用户体验进行归纳总结,分析得出课题需要解决的核心痛点问题和用户需求,以及本课题相关的人机交互规范,总结出合理的康复训练流程。
产品造型与外观设计的主要方向为区别于传统医疗器械,以减少医疗设备给用户带来视觉上的紧张与心理负担。具体包括流线型的曲面造型和更活力、新颖,符合该年龄段儿童审美的配色。此外,形态与外观可根据儿童不同身形尺寸与审美进行个性化定制,从而满足不同患儿的需求。
VRehab儿童外骨骼配备的软件产品为趣味康复小游戏,游戏设定为行走步态训练小游戏,运用VR技术实现。VRehab外骨骼可以与主流VR眼镜产品通过蓝牙连接,并在VR眼镜中载入游戏,佩戴VR游戏可在开阔安全的空间中由家长监护开始行走训练。通过可视化的沉浸式界面提供全方位的听觉、视觉刺激。游戏化程序和交互界面能增加趣味性,提高患儿进行康复训练的积极性,优化康复体验。
该作品针对当今社会的重要需求调查了儿童下肢康复外骨骼的发展现状,设计的产品具有便携化、家庭化、智能化的特点,通过创新游戏化的康复模式优化儿童康复训练流程,对于临床实践、改善康复效果及提高康复效率具有重要意义。