基于Opensim的柔性外骨骼機(jī)器人的模擬仿真

劉友福 盧軍

摘? 要： 現(xiàn)有的剛性外骨骼存在關(guān)節(jié)中心與人體下肢的生物關(guān)節(jié)中心較難對(duì)齊、限制人體運(yùn)動(dòng)的自由度和影響穿著舒適度等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的助力髖關(guān)節(jié)屈曲和伸展的柔性外骨骼機(jī)器人。基于該柔性外骨骼，利用三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和測(cè)力平臺(tái)采集受試者在行走過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和地面反作用力數(shù)據(jù)，運(yùn)用生物力學(xué)分析軟件Opensim建立人體-外骨骼模型;利用Opensim分別模擬計(jì)算出在行走時(shí)助力和不助力兩種情況下驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)的主要肌肉的代謝值。模擬仿真結(jié)果表明：和不助力的情況相比，在行走過(guò)程中對(duì)髖關(guān)節(jié)助力會(huì)減小驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的主要肌肉的代謝值，減小穿戴者肌肉的負(fù)擔(dān);在行走過(guò)程中減小穿戴者的能量消耗。

關(guān)鍵詞： 柔性外骨骼機(jī)器人; 髖關(guān)節(jié)助力; Opensim; 仿真; 肌肉代謝

中圖分類號(hào)：TP242.6????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???? 文章編號(hào)：1006-8228（2021）01-01-05

Simulation of soft exosuit using Opensim

Liu Youfu1，2， Lu Jun1

（1. College of Mechanical & Electrical Engineering， Shaanxi University of Science and Technology， Xi'an， Shaanxi 10708， China;

2. Shenzhen Institutes of Advanced Technology， Chinese Academy of Science）

Abstract： The existing rigid exoskeleton has some problems， such as the joint center is difficult to align with the biological joint center of human lower limbs， limiting the freedom of human movement and affecting the wearing comfort. A motor-driven soft exosuit assisting hip flexion and extension was designed to solve the problems above. The three-dimensional motion capture system and force measurement platform were utilized to collect the subjects' kinematics and ground reaction force data during walking. A human body-soft exosuit model was built by using Opensim. Opensim was used to calculate the metabolism of the main muscles of the hip joint during walking. The simulation results show that， compared with the situation without assistance， the hip flexion and extension with assistance reduced the metabolic value of the main muscles that drive the hip joint movement and reduced the wearer's muscles burden and energy consumption.

Key words： soft exosuit; hip assistance; Opensim; simulation; muscles metabolism

0 引言

外骨骼機(jī)器人是一種新型仿生設(shè)計(jì)的可穿戴設(shè)備。外骨骼機(jī)器人起源于上個(gè)世紀(jì)60年代，在過(guò)去的幾十年里，下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人技術(shù)取得了重大發(fā)展，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，旨在幫助截癱、中風(fēng)患者進(jìn)行活動(dòng)能力恢復(fù)和步態(tài)糾正等[1-2];并且在軍隊(duì)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[3-4]。但是，上述外骨骼機(jī)器人大多采用剛性結(jié)構(gòu)，由于剛性外骨骼關(guān)節(jié)中心與人體下肢的生物關(guān)節(jié)中心較難對(duì)齊[5-6];且剛性結(jié)構(gòu)限制了人體運(yùn)動(dòng)的自由度并影響穿戴舒度[7-8]。為了解決上述問(wèn)題，研究學(xué)者們提出了性下肢外骨骼，柔性外骨骼主要使用柔性材料，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)柔性線繩伸縮以產(chǎn)生拉力[9]，作用于人體的相應(yīng)關(guān)節(jié)，以提供輔助力;這類外骨骼大多應(yīng)用于人體行走過(guò)程中助力，以減少肌肉代謝[10-11]。近些年來(lái)一些研究學(xué)者們常使用實(shí)驗(yàn)法和生物力學(xué)仿真軟件來(lái)研究人機(jī)耦合關(guān)系，比如研究健康成年人穿戴下肢外骨骼時(shí)，下肢外骨骼在支撐相其膝關(guān)節(jié)力矩的影響[12];模擬下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人在矢狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，比較分析下肢主要肌肉的收縮速率變化情況[13]。這些研究大多都基于剛性外骨骼，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種能助力髖關(guān)節(jié)伸展和屈曲的柔性外骨骼機(jī)器人。為了模擬我們?cè)O(shè)計(jì)的柔性外骨骼機(jī)器人在助力時(shí)的效果，將助力髖關(guān)節(jié)的伸展和屈曲的助力過(guò)程抽象轉(zhuǎn)化成被動(dòng)彈簧原件作用于人體的髖關(guān)節(jié)，并隨著步態(tài)變化而伸縮的過(guò)程，對(duì)外骨骼施加于髖關(guān)節(jié)伸展和屈曲階段的輔助力進(jìn)行模擬。利用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Vicon）和測(cè)力平臺(tái)采集健康成年男性在平地行走時(shí)的狀態(tài)參數(shù)以及地面反作用力等數(shù)據(jù);然后利用開(kāi)源人體生物力學(xué)分析軟件Opensim建立骨骼肌模型，并在模型的髖關(guān)節(jié)處添加上沿肌肉路徑的彈簧元件，并配置該彈簧執(zhí)行器的狀態(tài)參數(shù)，導(dǎo)入由Vicon、測(cè)力跑臺(tái)采集的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和力數(shù)據(jù)，對(duì)該模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)和肌肉參數(shù)模擬仿真，仿真結(jié)果可以定量分析在不助力和助力時(shí)，下肢肌肉的代謝值變化，為后期優(yōu)化外骨骼的設(shè)計(jì)與控制提供參考。

1 柔性外骨骼系統(tǒng)

一個(gè)人自然步態(tài)周期可劃分為支撐相和擺動(dòng)相，支撐相可以細(xì)分為支撐相初期，支撐相中期，支撐相末期;擺動(dòng)相可以細(xì)分為擺動(dòng)相初期，擺動(dòng)相中期和擺動(dòng)相末期[14]，如圖1所示。

髖關(guān)節(jié)伸展和屈曲分別發(fā)生在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的支撐相和擺動(dòng)相階段[15]。設(shè)計(jì)了一種能為髖關(guān)節(jié)伸展和屈曲提供助力的柔性外骨骼。外骨骼系統(tǒng)由執(zhí)行器，綁縛，拉力傳感器，慣性測(cè)量單元（IMU），鮑登線和調(diào)節(jié)裝置組成;結(jié)構(gòu)如圖2所示。

左腿的伸展和右腿髖關(guān)節(jié)屈曲幾乎完全相反的兩個(gè)相位。執(zhí)行器主要由兩臺(tái)無(wú)刷直流電機(jī)組成，使用一個(gè)電機(jī)為右腿（或左腿）髖關(guān)節(jié)伸展和屈曲運(yùn)動(dòng)提供輔助力，電機(jī)輸出軸與線盤相連。每個(gè)線盤上固定兩根鮑登線—鮑登線1和鮑登線2;鮑登線1順時(shí)針纏繞在線盤上以助力髖關(guān)節(jié)伸展，鮑登線2則逆時(shí)針纏繞用于助力屈曲（如圖2所示）。

鮑登線的另一端和拉力傳感器相連，拉力傳感器的另一端連接到線繩調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)裝置用來(lái)根據(jù)佩戴者的身高和步幅來(lái)調(diào)整鮑登線的長(zhǎng)度;最后，線繩再與包裹在大腿上的綁縛錨點(diǎn)相連。其工作原理是：通過(guò)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，帶動(dòng)線盤旋轉(zhuǎn)，鮑登線伸縮產(chǎn)生額外的拉力，拉力通過(guò)鮑登線作用于人體下肢關(guān)節(jié)上。

2 模擬仿真方法

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集

在配套有六臺(tái)紅外攝像機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（VICON， Oxford， UK），和一臺(tái)嵌入跑步機(jī)的測(cè)力平臺(tái)（AMTI， Watertown， MA）上進(jìn)行行走試驗(yàn)。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)主要通過(guò)攝像頭捕捉貼在身體上的熒光標(biāo)記點(diǎn)采集人體的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。地面反作用力通過(guò)測(cè)力臺(tái)采集，分別采集三名健康男性的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力數(shù)據(jù)。

在Vicon系統(tǒng)的上位機(jī)輸入相關(guān)的人體參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)輸入的人體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理保存到輸出文件中。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，受試者在身體上貼上熒光標(biāo)記點(diǎn)，靜止站立在測(cè)力平臺(tái)上，通過(guò)攝像頭捕捉標(biāo)記點(diǎn)在系統(tǒng)坐標(biāo)系下的靜態(tài)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，隨后啟動(dòng)測(cè)力跑臺(tái)，采集熒光標(biāo)記點(diǎn)在動(dòng)捕系統(tǒng)坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以及在行走過(guò)程中的測(cè)力平臺(tái)的作用反力。采集過(guò)程示意圖如圖3所示。

由于Opensim對(duì)輸入的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的文件格式有著嚴(yán)格的要求，所以需將采集到的數(shù)據(jù)以特殊的文件格式保存，將通過(guò)攝像頭采集到的熒光標(biāo)記點(diǎn)的靜態(tài)數(shù)據(jù)保存為.trc文件格式;通過(guò)測(cè)力臺(tái)采集的地面反力數(shù)據(jù)保存為**grf.mot格式。運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)則保存為 .mot格式，該文件中保存著受試者的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，比如關(guān)節(jié)角度，速度等。最后通過(guò)上位機(jī)輸出，這些文件將被應(yīng)用于下一步的Opensim仿真。

2.2 Opensim仿真模型

Opensim是美國(guó)斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的一款開(kāi)源應(yīng)用于生物力學(xué)分析研究的工具平臺(tái)，它具有對(duì)肌肉形態(tài)參數(shù)控制精細(xì)、計(jì)算誤差小、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)[16]?？紤]到人體系統(tǒng)復(fù)雜性以及受到倫理道德的限制，目前現(xiàn)有的一些實(shí)驗(yàn)手段難以測(cè)量人體肌肉的代謝情況。通常，將人體簡(jiǎn)化成一個(gè)多剛體模型，利用Opensim建立人體骨骼肌模型。

OpenSim人體骨骼模型其建模的理論基礎(chǔ)是Hill肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，以肌肉形態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ)建立通用人體骨骼肌肉模型，如圖4所示。

Opensim官網(wǎng)提供了許多骨骼肌模型，本文中使用下肢骨骼肌肉生物力學(xué)模型Gait2354_Simbody，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。由于人體以正常步態(tài)行走時(shí)，髖關(guān)節(jié)主要以屈伸運(yùn)動(dòng)為主，考慮到其外旋/內(nèi)旋，外展/內(nèi)收的運(yùn)動(dòng)幅度相對(duì)較小，在建立助力的仿真模型時(shí)，僅考慮在矢狀面內(nèi)的屈曲和伸展運(yùn)動(dòng)。在右腿支撐相時(shí)期，右髖關(guān)節(jié)伸展，右側(cè)下肢肌肉需要對(duì)來(lái)自地面的沖擊以及人體體重進(jìn)行承重，此時(shí)包括臀大肌，股二頭肌等大腿后側(cè)肌肉群作為主動(dòng)肌肉，股四頭肌等大腿前側(cè)肌肉群作為主要的制動(dòng)肌，尤其以股直肌的作用最為明顯。當(dāng)右腿從支撐階段進(jìn)入擺動(dòng)階段時(shí)，右腿膝關(guān)節(jié)開(kāi)始彎曲并抬腿，髖關(guān)節(jié)開(kāi)始屈曲?？紤]到右腿在擺動(dòng)相時(shí)，主要是重力在做功[17]。結(jié)合在第1節(jié)中依據(jù)步態(tài)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的柔性外骨骼的工作原理以及輔助力的施加部位，基于在人體的髖關(guān)節(jié)處添加平行于大腿（以右腿為例）被動(dòng)彈簧驅(qū)動(dòng)原件[18]，僅考慮元件沒(méi)有質(zhì)量，該模型如圖5所示。

在支撐相階段（以右腿為例），右腳剛著地時(shí)，彈簧1處于原長(zhǎng)狀態(tài)，隨著右腿的伸展，此彈簧元件處于拉伸狀態(tài)，完成能量的存儲(chǔ);相反，彈簧2在右腳剛著地處于最大拉伸狀態(tài)，隨著右腿伸展，彈簧2釋放能量，恢復(fù)原長(zhǎng)，幫助人體伸展右腿。到支撐相結(jié)束，開(kāi)始進(jìn)入擺動(dòng)相時(shí)，大腿開(kāi)始屈曲，彈簧1開(kāi)始釋放能量，幫助右腿屈膝抬腿，而彈簧2此時(shí)處于原長(zhǎng)狀態(tài)，隨著大腿的擺動(dòng)。彈簧2開(kāi)始存儲(chǔ)能量。

2.3 Opensim模擬仿真過(guò)程

通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集的標(biāo)記點(diǎn)在動(dòng)捕系統(tǒng)坐標(biāo)系下的靜態(tài)數(shù)據(jù)和Opensim中模型的虛擬點(diǎn)之間的距離進(jìn)行匹配，使系統(tǒng)提供的骨骼肌模型和受試者實(shí)際的身體數(shù)據(jù)相匹配，依據(jù)受試者的身高體重等身體特征參數(shù)以及2.1節(jié)中采集的靜止?fàn)顟B(tài)下的標(biāo)記點(diǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)Opensim中的骨骼肌肉模型進(jìn)行比例縮放，并使用軟件內(nèi)置最小二乘法算法來(lái)減少軟件中模型和實(shí)際人體參數(shù)的誤差，使之更加貼近實(shí)際的人體模型，從而建立起符合受試者個(gè)體特征的個(gè)性化模型;接著通過(guò)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，主要目的在于找到與實(shí)驗(yàn)室運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)最佳匹配的模型。通過(guò)使用Opensim軟件的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)（IK）工具，可以在軟件內(nèi)顯示出經(jīng)由動(dòng)捕系統(tǒng)計(jì)算出來(lái)的的運(yùn)動(dòng)信息，比如關(guān)節(jié)角度等。在求解過(guò)程中，不考慮產(chǎn)生的力和力矩，采用2.1節(jié)中采集的在行走狀態(tài)下標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，遍歷行走過(guò)程中動(dòng)作的每個(gè)時(shí)間步，或每一幀，使模型“最好地”匹配實(shí)際的運(yùn)動(dòng)學(xué)，使用Opensim殘差縮減算法（RRA）來(lái)減少由于標(biāo)記點(diǎn)的空間信息、測(cè)力平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)的誤差和骨骼肌模型之間的不一致而產(chǎn)生的殘差力，讓模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程更符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

最后，通過(guò)導(dǎo)入2.1節(jié)中由測(cè)力平臺(tái)采集的人體與測(cè)力平臺(tái)的反力數(shù)據(jù)，采用逆向動(dòng)力學(xué)的方法進(jìn)行逆向求解人體各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力等;但是由于模型的構(gòu)造誤差或動(dòng)捕系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的誤差將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果會(huì)有很大的偏差。任需要通過(guò)使用殘差縮減算法（RRA）進(jìn)行軌跡優(yōu)化和質(zhì)量調(diào)整，把測(cè)力平臺(tái)的反作用力與人體慣性參數(shù)相結(jié)合，將逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的誤差控制到最小。由于OpenSim的正向動(dòng)力學(xué)是模擬人體行走的，人體的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)由肌肉產(chǎn)生的肌肉力驅(qū)動(dòng)。為了更好的模擬肌肉的收縮，利用Opensim提供的CMC優(yōu)化算法，此算法可以改變模型中的肌肉參數(shù)，對(duì)人體動(dòng)作模擬仿真中肌肉力量進(jìn)行分配[19]，可以更好地模擬肌肉的收縮過(guò)程。

3 結(jié)果與分析

人體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，調(diào)動(dòng)休眠的肌肉參與活動(dòng)，這些被調(diào)動(dòng)的肌肉稱為激活。參與活動(dòng)的肌肉群越多，其力量和激活程度等方面比較高，激活度就越高，反之則激活度越低[20]。Opensim提供了一種名為代謝探針的方法，通過(guò)在模型中設(shè)置的代謝探針可以計(jì)算模型肌肉的代謝值，可以模擬計(jì)算在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，下肢各相關(guān)肌肉的肌肉的代謝值，肌肉的代謝值越大說(shuō)明肌肉激活程度越大。分別進(jìn)行不助力和助力兩種情況的仿真實(shí)驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)人體髖關(guān)節(jié)（以右腿為例）的主要肌肉（包括髂腰肌、腘繩肌、股直肌、股二頭肌等）的代謝值變化如圖6至圖9所示。

通過(guò)觀察曲線圖可以看出，在Opensim仿真環(huán)境中，人正常行走不助力時(shí)，人體肌肉調(diào)動(dòng)被激活，代謝增強(qiáng);當(dāng)驅(qū)動(dòng)模型中的彈性元件對(duì)模型進(jìn)行助力時(shí)，下肢整體代謝值相比不助力時(shí)有所減少，其他核心肌肉的代謝值均有所減小。這說(shuō)明人在行走時(shí)對(duì)髖關(guān)節(jié)助力能有效地減輕下肢驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)的肌肉的負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)論

基于我們?cè)O(shè)計(jì)的柔性外骨骼機(jī)器人，根據(jù)人體在行走過(guò)程中的步態(tài)特點(diǎn)，將外骨骼對(duì)人體的助力方式抽象轉(zhuǎn)化成一種被動(dòng)彈簧元件，在Opensim中建立仿真模型，模擬助力過(guò)程，分別比較了在不助力和助力兩種情況下人體驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)的主要肌肉的代謝值的變化，模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，與行走過(guò)程中不助力的情況相比，柔性外骨骼機(jī)器人在助力時(shí)，能減少相關(guān)肌肉的代謝，可以減小穿戴者在穿戴外骨骼行走時(shí)的能量消耗，達(dá)到為人體助力的效果。

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收稿日期：2020-08-14

基金項(xiàng)目：廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2019A1515110576）

作者簡(jiǎn)介：劉友福（1995-），男，四川巴中人，碩士研究生，主要研究方向：智能機(jī)器人技術(shù)。