踝足助力外骨骼研究與展望

顏兵兵,郭廣鵬,潘 武,馬常友

(佳木斯大學(xué) 機械工程學(xué)院, 黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

“外骨骼”一詞源于生物學(xué),意指可為使用者提供保護、支撐、構(gòu)型等功能的堅硬的外部結(jié)構(gòu)[1]。依據(jù)仿生學(xué)理論,將生物外骨骼功能與機械工程技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計出一種可穿戴的擬人化機械裝置,使其具有人的智能和機械的速度與耐力,用以幫助人類進行各類活動,現(xiàn)統(tǒng)稱為外骨骼機器人?！巴夤趋罊C器人”概念的產(chǎn)生最早可追溯到19世紀(jì)。1830年,Robert Seymour首次提出外骨骼機器人的創(chuàng)意,即將蒸汽機穿戴在人體上進行助力[2]。1890年,Nicholas Yagn[3]提出了采用彈性儲能元件增強人類跳躍和跑步的能力。20世紀(jì)60年代,美國軍方和通用電氣研究中心聯(lián)合研發(fā)出第一款真正意義上的外骨骼機器人“Hardiman”[4]。2000年,美國國防高級研究技術(shù)局正式啟動了“增強人體體能外骨骼”計劃,將外骨骼機器人技術(shù)發(fā)展推向高潮。

隨著科技的不斷進步,外骨骼機器人在輔助康復(fù)、負(fù)重增強和助力行走方面的研究成果日新月異?？祻?fù)型外骨骼機器人主要用于輔助下肢殘障人士正常行走、上下樓梯等活動,極大地方便了日常生活[5],具有代表性的有:日本筑波大學(xué)的HAL外骨骼[6-8]、以色列的Rewalk[9]。負(fù)重型外骨骼機器人通過外骨骼直接將絕大部分負(fù)重傳遞到地面上,從而減輕人的負(fù)重,以增強健康穿戴者的負(fù)重能力,使其在超負(fù)荷狀態(tài)下可以較為輕松地活動[10]。該類機器人多用于軍事領(lǐng)域,例如:美國加州大學(xué)伯克利分校的BLEEX[11]、美國洛馬公司的HULC[12]、美國雷神公司的XOS[13]等。近年來,助力型外骨骼機器人作為一種輔助設(shè)備在軍民領(lǐng)域內(nèi)得到了空前的發(fā)展[14],意指任何能夠根據(jù)實際需求對人體運動進行輔助或者主動助力的人機一體化機器設(shè)備[15],具有代表性的有:麻省理工大學(xué)的動力型外骨骼、哈佛大學(xué)的下肢助力柔性外骨骼、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的無動力外骨骼等。

相對前2類外骨骼機器人而言,助力型外骨骼機器人旨在提高健康人群行走、爬樓等日常行為能力及舒適感。人體行走過程是由下肢各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)配合完成的,而在下肢的踝、膝、髖3個關(guān)節(jié)中踝關(guān)節(jié)承擔(dān)著整個人體的重量,因此對于踝關(guān)節(jié)助力的研究得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究成果表明[16-18],踝關(guān)節(jié)跖屈肌力量降低是老年人行走較慢的重要因素之一,通過肌骨參數(shù)對下肢肌肉代謝影響的研究中也發(fā)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的扭矩輸出遠大于髖、膝關(guān)節(jié)。當(dāng)前,我國人口老齡化進程明顯加快,甚至很快會迎來老齡化高峰期,因此研發(fā)用于滿足老年人日常生活行動所需的下肢助力型外骨骼機器人顯得十分迫切,而下肢助力型外骨骼機器人研究的重點又聚焦在踝關(guān)節(jié)上。因此,本文中針對目前國內(nèi)外具有代表性的踝足助力外骨骼機器人的研究進展進行綜述。

1 踝足助力外骨骼國外研究現(xiàn)狀

隨著外骨骼技術(shù)的不斷發(fā)展,國外各大高校及研究機構(gòu)針對踝關(guān)節(jié)助力外骨骼機器人的研究成果日益豐碩。

1.1 麻省理工學(xué)院研究成果

Mooney等[19-21]研制了一款自主式腿部外骨骼(圖1),通過腰部佩戴的電池及控制器,脛骨處綁縛驅(qū)動器,由電機驅(qū)動包裹在線軸閥芯內(nèi)的繩索,經(jīng)過皮帶輪轉(zhuǎn)動,借助繩索牽引附著在靴子處的支撐桿為踝關(guān)節(jié)提供助力。在蹬離階段(步態(tài)周期的43%左右),控制器啟動推離輔助;擺動階段(踝關(guān)節(jié)足底屈曲角度為0.2 rad左右),控制器提供松弛的繩索,允許穿戴者自由地背屈腳踝。針對未穿戴外骨骼、穿戴未助力、穿戴且助力等3種情況評估穿戴者的代謝能力。實驗表明在不影響人體運動參數(shù)前提下穿戴此設(shè)備可以為髖、膝、踝關(guān)節(jié)分別助力0.034±0.009 W/kg、0.042±0.015 W/kg 和0.033±0.006 W/kg,降低了穿戴者11%±4%的代謝值。

1.2 哈佛大學(xué)研究成果

Lee等[22]設(shè)計了一類紡織結(jié)構(gòu)的柔性外骨骼(圖2),提出將負(fù)載路徑作用到穿戴者身上并通過鮑登電纜對其施加輔助力的方法。通過傳感器與控制器實時測量和監(jiān)測兩腿的運動數(shù)據(jù)及傳遞力的大小,根據(jù)外骨骼所需要的力,反復(fù)調(diào)整電機的輸入扭矩來控制電纜位置,可以實現(xiàn)獨立控制踝關(guān)節(jié)正、負(fù)功時期的助力。實驗結(jié)果表明,控制器能夠調(diào)節(jié)傳遞到踝關(guān)節(jié)的功率變化,人體代謝率顯著降低(11%～15%),滿足穿戴者在行走過程中的要求。

Nuckols R W等[23]最新研制一款基于肌肉輔助策略的柔性踝足外骨骼(圖3),采用超聲成像技術(shù)記錄人體在不同行走速度和坡度下的比目魚肌肉動態(tài)。通過捕捉并分析肌肉運動二維圖像序列及收縮速度,判定肌腱拉伸長度進一步推導(dǎo)施加輔助力的大小。同時,通過控制器監(jiān)測鮑登電纜收縮長度,借助執(zhí)行器拉動鮑登電纜,并在電機達到最大收縮閾值時立即釋放電纜至跖屈助力結(jié)束。針對一系列步行速度和坡路行走的代謝耗損實驗表明,以步行速度1.25、1.5、1.75 m/s行進時,代謝消耗分別降低15.9%、9.7%、8.9%,而以1.25 m/s傾斜角為5.71°運動時,代謝減少為7.8%。

圖3 柔性踝足外骨骼Fig.3 Soft ankle exosuit

1.3 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究成果

Collins等[24]基于人類行走時肱三頭肌表面-跟腱的被動彈性機制,采用棘輪棘爪式離合器結(jié)構(gòu),借助人體步態(tài)周期內(nèi)踝關(guān)節(jié)的屈伸運動,收集與釋放控制儲能元件的能量,由此實現(xiàn)人體站立時儲能模式與擺動時自由運動模式之間的切換,最終設(shè)計了一款無動力外骨骼(圖4)。該外骨骼不需消耗化學(xué)能或電能,而是采用不同剛度彈簧進行人體穿戴行走能耗試驗,當(dāng)彈簧剛度系數(shù)為180 Nm/rad時,人體能耗減少最多為7.2%。

圖4 無動力外骨骼

Collins等[25-27]又進一步研發(fā)了Alpha型(圖5)和Beta型(圖6)單側(cè)踝關(guān)節(jié)外骨骼,與前一個版本不同在于,這2個型式的串聯(lián)彈性機構(gòu)均位于踝關(guān)節(jié)一側(cè),且Alpha型選用的彈性元件是片彈簧,Beta型為拉伸彈簧。兩者都通過位于小腿肌肉處墊帶傳遞到脛骨位置,利用放置在鞋底凹槽中的一根繩索驅(qū)動,將力傳遞到使用者腳后跟輔助行走。Alpha和Beta型可分別提供120 N·m和150 N·m峰值力矩。實驗結(jié)果表明Alpha型外骨骼優(yōu)于Beta型外骨骼,Alpha型外骨骼人體耗能降低17%的代謝值,扭矩支持增加了13%的代謝值。實驗所得數(shù)據(jù)用于改進人體神經(jīng)肌肉適應(yīng)的預(yù)測模型,指導(dǎo)輔助裝置的設(shè)計。

圖5 Alpha型外骨骼Fig.5 Alpha exoskeleton圖6 Beta型外骨骼Fig.6 Beta exoskeleton

1.4 代爾夫特理工大學(xué)研究成果

Dijk等[28]研制了一款高功率密度、低質(zhì)量的跟腱踝足外骨骼(圖7),即在踝關(guān)節(jié)周圍增加重量為1.5 kg的串聯(lián)彈性制動器,為80 kg的人提供52%的跖屈力,旨在減少人體行走過程中的代謝消耗。針對跟腱外骨骼性能評估測試的研究結(jié)果表明[29],制動器輸出的最大功率可達80.2 W,可以為健康受試者在行走過程中提供最大的推離功率。

圖7 跟腱踝足外骨骼

1.5 范德堡大學(xué)研究成果

Yandell等[30-31]研制的新型無動力踝關(guān)節(jié)外骨骼(圖8),兼顧了外骨骼的輔助功能和服裝外形特點,具有外型小巧、重量輕、制造成本低等優(yōu)點。在文獻[24]研究的基礎(chǔ)上,改變原有離合器結(jié)構(gòu),將離合器設(shè)計在鞋底處,利用身體重量產(chǎn)生的摩擦力來實現(xiàn)離合器的分離與接合,從而帶動腳底的滑塊拉伸/收縮彈簧來儲存/釋放能量,以適應(yīng)不同步態(tài)下的助力行走。實驗結(jié)果表明,此外骨骼以不同彈簧剛度開展測試研究,彈簧剛度為6.1 kN/m時,比目魚平均肌電激活量降低17%。

圖8 無動力踝關(guān)節(jié)外骨骼

1.6 羅馬大學(xué)和科羅拉多大學(xué)研究成果

Etenzi等[32]采用棘輪、棘爪作為機械系統(tǒng)的傳動方式,通過與膝、踝關(guān)節(jié)平行的金屬彈簧相連并進行能量的儲存與釋放,設(shè)計了一款被動式彈性膝踝外骨骼(圖9),用以收集擺動階段后期抵抗膝關(guān)節(jié)屈膝產(chǎn)生的能量,并在站立后期時釋放以協(xié)助踝關(guān)節(jié)跖屈。實驗結(jié)果表明,彈簧使能狀態(tài)下,人體行走時肌肉代謝降低了11%,反之則上升了23%。

圖9 被動式彈性膝踝外骨骼

綜上所述,國外學(xué)者分別從功能性和舒適性2個方面對踝足助力外骨骼展開研究,其相關(guān)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 國外踝足助力外骨骼性能指標(biāo)

采用電機驅(qū)動和彈性元件驅(qū)動,通過剛性或柔性結(jié)構(gòu)完成不同能量形式的轉(zhuǎn)變,從而實現(xiàn)踝足外骨骼助力的功能性需求。在滿足一定程度助力功能的同時,舒適性是助力外骨骼這一人機交互系統(tǒng)的必備特性,因此踝足助力外骨骼的輕量化與融合化研究受到學(xué)者的關(guān)注。輕量化方面:一是受限于現(xiàn)有電池技術(shù)的發(fā)展瓶頸,驅(qū)動系統(tǒng)的電源通常置于腰部,雖能在一定程度上減輕關(guān)節(jié)負(fù)載及代謝消耗,但無法提供持久的能量,影響系統(tǒng)的持續(xù)使用;二是剛性構(gòu)件組成的外骨骼也會帶給人體動作一定的負(fù)載。因此,無源助力柔性外骨骼作為一個新興的助力系統(tǒng)是輕量化研究的熱點之一。融合化方面,剛性外骨骼關(guān)節(jié)與人體生物關(guān)節(jié)的匹配程度是影響舒適性的重要因素,即便柔性結(jié)構(gòu)能夠一定程度上弱化其影響,但離合器外型結(jié)構(gòu)設(shè)計仍需以人機工程學(xué)的角度高度融入人體關(guān)節(jié)。

2 踝足助力外骨骼國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相較于國外高校而言,國內(nèi)踝足助力外骨骼研究還處于發(fā)展階段。

2.1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究成果

鄭進忠[33]針對機械結(jié)構(gòu)、控制策略以及控制算法開展設(shè)計與研究,并通過仿真和實驗驗證其有效性,設(shè)計一款踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼(圖10)。依據(jù)踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼特點,對彈簧剛度進行優(yōu)化,降低了電機的輸出功率,減少系統(tǒng)對電機功率的需求。基于IMU時域控制策略進行步態(tài)劃分,可預(yù)知0.034 s后人體運動狀態(tài),采用卡爾曼濾波和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得最優(yōu)的控制算法。實驗表明,踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼最大輸出力矩可達120 Nm,滿足穿戴行走實驗的設(shè)計要求。

圖10 踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼Fig.10 Ankle flexible exoskeleton

黃冠[34]基于平地行走、上樓及上坡等3種日常行走模式下踝關(guān)節(jié)功率的相似性,分析人體下肢生物力學(xué)參數(shù),設(shè)計了一款輔助日常行走的助老柔性外骨骼(圖11)。該外骨骼采用便攜式驅(qū)動裝置,以鮑登線作為傳動繩索,利用電機正反轉(zhuǎn)在左、右腿踝關(guān)節(jié)處產(chǎn)生跖屈方向的輔助力。針對上述3種行走模式開展助力效果實驗,獲取柔性外骨骼助力前后小腿肌肉激活度的變化情況,初步證明了所設(shè)計的外骨骼能降低踝關(guān)節(jié)的肌肉發(fā)力。

圖11 柔性外骨骼Fig.11 Soft exosuit

李泱[35]基于人體行走步態(tài)生物力學(xué)分析,并結(jié)合峰值功率放大機制的相關(guān)研究,研發(fā)出一種新的可自適應(yīng)觸發(fā)的峰值功率放大踝關(guān)節(jié)外骨骼(圖12)。基于IMU的步態(tài)相位識別算法生成用于控制離合器分離與接合的控制指令。采用變剛度儲能元件卷簧提高其儲能能力,即人在非蹬地時期,電機向儲能元件存儲能量,在踝關(guān)節(jié)跖屈時期,由儲能元件釋放能量,輸出類似于踝關(guān)節(jié)蹬地時的峰值功率助力踝關(guān)節(jié),從而可以降低外骨骼對驅(qū)動部分功率需求。外骨骼評估實驗表明,產(chǎn)生的峰值功率值為35.22 W,人體在行走時踝關(guān)節(jié)峰值功率可降低11.25%。

圖12 踝關(guān)節(jié)外骨骼Fig.12 Ankle exoskeleton

2.2 南方科技大學(xué)和華中科技大學(xué)研究成果

Liu等[36]基于肌肉-肌腱運動機制,采用緩慢注入和快速釋放的能量策略以獲得更大的峰值功率。利用低峰值功率電機提供高峰值功率輔助,以降低對制動器功率的要求,最終研制出一款主動踝關(guān)節(jié)外骨骼(圖13)。采用四連桿離合器開發(fā)的能量儲存與釋放系統(tǒng),以實現(xiàn)人體下肢處于擺動階段和站立階段時積累電機注入的能量,在蹬地階段迅速釋放能量助力踝關(guān)節(jié)。實驗結(jié)果表明,踝關(guān)節(jié)峰值功率比正常情況下降低了25.8%。

圖13 主動踝關(guān)節(jié)外骨骼Fig.13 Active ankle exoskeleton

2.3 武漢理工大學(xué)研究成果

向馗等[37]采用直流伺服電機、傳動裝置、傳感器、滾珠絲桿、支撐骨架等設(shè)計了一種可穿戴的踝關(guān)節(jié)外骨骼,同時配置了串聯(lián)彈性驅(qū)動器,使得外骨骼具有反向驅(qū)動力來達到助力效果。踝關(guān)節(jié)跖屈階段,助力抬升腳跟,以此增強足部蹬地力量,實現(xiàn)正常行走時助力。

徐聲[38]從踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)角度出發(fā),根據(jù)踝關(guān)節(jié)動力學(xué)特征進行機構(gòu)選型,設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、易攜帶的踝關(guān)節(jié)外骨骼(圖14)。該外骨骼采取電機正反轉(zhuǎn)拉動鮑登線助力踝關(guān)節(jié)的措施,提出一種基于雙層控制器的力矩控制方法,并采用“人在回路中”的協(xié)作控制優(yōu)化策略,提高外骨骼的助力效果,以降低行走過程中的能量損耗。實驗結(jié)果驗證了該外骨骼機構(gòu)設(shè)計、控制方法以及控制策略的有效性,能夠?qū)崿F(xiàn)與人體處于緊密耦合的交互工作模式。

圖14 踝關(guān)節(jié)外骨骼Fig.14 Ankle exoskeleton

2.4 北京交通大學(xué)研究成果

Wang等[39-40]基于肌肉-肌腱系統(tǒng)特性,以協(xié)助人類行走并延長行走時間,研制了一款被動式彈簧驅(qū)動踝足外骨骼(圖15)。同時,開發(fā)了一套可用于步態(tài)檢測的智能離合器,通過檢測鞋底與地面接觸狀態(tài),可自動切換到工作狀態(tài),且小腿部位的懸浮彈簧與步態(tài)同步。當(dāng)步態(tài)處于支撐時期,離合器接合,懸掛在小腿部位的彈簧開始拉伸,人體開始下垂并儲存能量;在支撐結(jié)束時期,儲存的能量達到最大值;在蹬地時期,彈簧處于使能狀態(tài),觸發(fā)按鈕,釋放彈性能量以提供助力;在擺動時期,離合器分離,懸掛彈簧收縮,避免妨礙踝關(guān)節(jié)自由運動。實驗結(jié)果表明,受試者穿戴踝足外骨骼時,比目魚肌電活動減少72.2%。

圖15 被動步態(tài)踝足外骨骼Fig.15 Passive gait ankle-foot exoskeleton

綜上所述,國內(nèi)踝足助力外骨骼相關(guān)性能指標(biāo)如表2所示。相較于國外,國內(nèi)學(xué)者在踝足助力外骨骼構(gòu)型設(shè)計及其實現(xiàn)形式上差異不大,鑒于步態(tài)個體差異性及個性化需求,國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注點更多地集中在步態(tài)識別及控制策略方面,根據(jù)步態(tài)變化適時適度調(diào)整助力,以提高外骨骼穿戴的舒適性。與此同時,為進一步提高助力效果,在肌肉力學(xué)特性研究方面也取得了一定的成果。

表2 國內(nèi)踝足助力外骨骼性能指標(biāo)

續(xù)表(表2)

3 展望

通過梳理國內(nèi)外踝足助力外骨骼相關(guān)文獻,了解到踝足助力外骨骼在構(gòu)型設(shè)計、驅(qū)動方式、能量轉(zhuǎn)換、評價方法等關(guān)鍵技術(shù)沿革及發(fā)展現(xiàn)狀,為后續(xù)研究深入開展提供了經(jīng)驗,但在協(xié)調(diào)性、舒適性、普適性等方面不足也為學(xué)者指明了研究方向。

踝足助力外骨骼應(yīng)以輕量化、便攜式和承擔(dān)較大負(fù)載為發(fā)展趨勢,結(jié)合人體解剖學(xué)和生理學(xué)特征,綜合考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性、肌骨參數(shù)、環(huán)境因素等諸多要素,如何高效、持續(xù)供能是未來踝足助力外骨骼長時間運行亟需解決的難題。踝足助力外骨骼應(yīng)用前景如下:

1) 仿生構(gòu)型。深入研究與下肢動作力線傳遞路徑相匹配的創(chuàng)新型仿生構(gòu)型,合理選用儲能元件,拓展儲能方式,提高助力性能。

2) 多模式切換。面對復(fù)雜環(huán)境中各行走模式之間的無縫切換問題,探究肌群協(xié)同機制,為助推踝足助力外骨骼產(chǎn)品化、個性化發(fā)展亟需成熟的解決方案。

3) 數(shù)字孿生技術(shù)。采用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建與彈性“外肌腱”并行作業(yè)的跖屈肌的數(shù)字樣機,為控制策略及裝置開發(fā)提供測試與優(yōu)化平臺。

4) 大數(shù)據(jù)分析。通過人工智能與人機交互技術(shù),配合大數(shù)據(jù)分析及云計算等方式提供輔助的踝足助力外骨骼產(chǎn)品和智能化的解決方案。

5) 智能傳感器技術(shù)。將計算機與人工智能、仿生材料學(xué)、無線通信技術(shù)結(jié)合起來,研發(fā)用于人工感覺系統(tǒng)的生物激發(fā)電子器件,深度挖掘單一人體生理信號的采集技術(shù)與辨識方法。