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穿戴式柔性下肢助力机器人发展现状及关键技术分析.docx
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穿戴式柔性下肢助力机器人发展现状及关键技术分析.docx
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助力外骨骼在康复医疗、助老助残、生活起居等方面具有广阔的应用前景
[
1
]
, 尤其是
针对运动障碍患者而研制的外骨骼式助力机器人发展迅速
[
2
]
.基于助力或康复功能的可穿戴
机器人, 主要用于减轻穿戴者身体负担、增强人体力量或临床康复训练等, 如日本筑波大学
的 HAL (Hybird assistive limb)系列
[
3
-
4
]
、瑞士苏黎世大学的 Lokomat
[
5
]
、德国 LokoHlep 公司
的 LokoHlep
[
6
]
及北京工业大学研制的上肢、下肢及踝助力外骨骼
[
7
-
9
]
等. HAL 系列
[
3
-
4
]
为一种
全身外骨骼, 在肘、肩、髋、膝关节处, 均设置了单自由度主动关节, 在踝关节处采用含弹
簧的被动转动关节, HAL 与人体进行紧致连接, 以提高穿戴者运动能力和肢体力量.
Lokomat
[
5
]
由外骨骼本体、悬吊减重系统、跑台三部分组成, 可实现患者被动运动和协助运
动两种模式.外骨骼式助力机器人依赖于其刚性本体结构, 固联于外骨骼的穿戴具以紧致穿
戴的方式与人体相连接
[
10
]
, 外骨骼的关节轴线相对于人体关节易产生位移偏离, 产生较大
的附加扭矩, 阻碍人体关节运动, 甚至对穿戴者产生伤害
[
11
]
, 难以实现有效的助力行走功
能.针对上述问题, 众多学者尝试采用冗余被动自由度来适应下肢人机关节难以对齐等问题
[
12
-
14
]
, 而被动副的添加将导致机器人系统的质量增大, 进一步加剧人体运动所需的代谢消
耗.穿戴下肢助力外骨骼后, 下肢的附加质量会增加下肢惯量, 在正常行走过程中加速或减
速, 附加质量会增加人体代谢消耗, 同时附加质量在下肢的分布情况对代谢消耗影响较大,
脚部附加质量代谢值占总代谢消耗的 7.5 /kg~8.5 %/kg, 而腰部附加质量相应的代谢值仅为
总代谢消耗的 1 %/kg~2 %/kg
[
15
]
.助力外骨骼与下肢步态不一致时, 对下肢施加的辅助力/矩
可能会被人体作为扰动力, 限制人体非助力自由度的活动范围, 产生不必要的肌肉收缩, 进
而加剧人体的代谢消耗
[
11
]
.
柔性助力机器人可在一定程度上解决和避免助力外骨骼存在的人机关节难以对齐、附
加质量大、步态不一致等问题
[
16
]
.国内外一些院校的实验室和医疗机构相继开展了穿戴式柔
性助力机器人的相关研究, 研制了多种相关样机和产品, 以增强腰部及下肢的肌肉力量、降
低代谢消耗、延缓疲劳, 如加拿大皇后大学的 PLAD
[
17
]
、北海道大学的 Smart suit
[
18
]
及河南
科技大学的腰部助力机器人
[
19
]
、哈佛大学的 Soft exosuit
[
20
-
21
]
及日本冈山大学的 Power assist
wear
[
22
]
等.与外骨骼式助力机器人相比, 柔性助力机器人从人因工程学角度出发, 采用柔性
材料(布带、气动肌肉等), 穿戴及包覆在下肢周围, 人体骨骼作为支撑构件, 可实现与下肢
生物力学更好的人机相容性和穿戴舒适性
[
23
]
, 在助力装置本体中, 不存在刚性连杆和机械
关节, 不需人机关节轴线精确对齐, 对人体关节自由度影响较小, 穿戴者可在紧急情况下执
行避险动作, 避免了因人机运动学不相容导致的与助力无关的附加力/矩
[
24
]
, 且能够最大限
度的减小助力装置自身的质量、体积等引起的附加机械阻抗和自由度限制.柔性助力机器人
在助力应用中与助力外骨骼相比, 具有质量轻、人机相容性好、人机约束强度弱、体征差
异适应性强、结构柔顺、人机穿戴舒适性好等关键优势.
为促进我国柔性下肢助力机器人的研究和发展, 总结国内外在该领域的研究进展, 对
柔性下肢助力机器人所涉及的安全与可靠性、驱动方式及控制策略、步态检测技术、助力
效果评估等关键技术进行了详尽的分析.在总结研究成果及分析关键技术的基础上, 指出柔
性下肢助力机器人今后的发展方向、研究思路和面临的挑战.
1. 穿戴式柔性下肢助力机器人
穿戴式柔性下肢助力机器人采用轻质、柔性材料作为辅助力/矩的传递单元, 可长时间
穿戴, 可以对人体下肢进行单关节或多关节协同助力.用于健康人群尤其是士兵的远距离负
重行走、连续搬运等领域, 降低人体软组织(肌肉、肌腱、韧带等)的承受载荷, 提高人体运
动能力, 进而减少人体的代谢消耗和延缓身体疲劳.对于运动功能障碍患者及中风患者等,
可提供适量的外部辅助作用力, 改善患者行走步态, 提高行走效率.根据人体下肢的待助力
关节数量, 将柔性下肢助力机器人分为单关节助力型和多关节协同助力型两类.
1.1 单关节助力型
人体下肢主要由髋、膝以及踝关节组成, 尤其是髋、踝关节具有多个自由度, 在行走
过程中每个关节所需的生物力矩不一致
[
25
]
, 对不同的关节助力, 产生的代谢消耗水平不同,
助力效果亦不同.设计者通过设计不同的助力装置本体, 对髋、膝或踝关节进行单独助力,
使助力目的更加明显, 助力系统简约, 助力策略相对容易实现.
单关节助力机器人主要用于健康人群的负重行走、上下楼梯及反重力补偿等, 为下肢
待助力关节提供辅助力/矩, 提高负重能力, 降低人体代谢消耗
[
26
-
45
]
.具有代表性的单关节助
力机器人为延边大学的可穿戴柔性助力服
[
26
]
、日本松下电器公司的 Cross-wire assist suit
[
27
]
及美国麻省理工学院的移动式踝助力外骨骼
[
28
]
等, 如表 1 所示.其驱动方式以电机驱动和气
动人工肌肉驱动为主, 为了减轻下肢末端的附加质量, 将控制板、驱动器等单元放置在人体
的背部或腰部位置, 采用按照人体生理参数设计的柔性布带、钢丝绳或者气动肌肉作为辅
助力/矩的传递单元, 穿戴及包覆于人体下肢, 使穿戴者更容易适应助力系统, 且助力装置总
体质量轻, 增加了助力系统的柔顺性, 使助力系统的运动轨迹与人体下肢运动轨迹协调一
致, 而不影响人体下肢的正常运动, 实现人机共融.
表 1 单关节助力型机器人
Table 1 Single joint power-assisted robot
序号
名称
驱动方式
驱动关节
质量(kg)
日本中央大学
/
1
行走助力机器人
[
29
]
气动人工肌肉
髋
-
膝关节柔性助力服
[
37
]
膝
日本信州大学
[
31
]
2
轻质行走助力服
PVC 凝胶驱动器
髋
0.6
延边大学
[
26
]
3
可穿戴柔性助力服
电机
髋
2.7
日本松下电器公司
[
27
]
4
交叉线助力服
电机
髋
9.3
5
首尔国立大学
[
28
]
电机
膝
-
序号
名称
驱动方式
驱动关节
质量(kg)
膝关节助力服
日本冈山大学
[
36
]
6
下肢助力裤
气压
膝
1.5
大连理工大学
[
39
]
7
软式气动助力服
气压
膝
-
韩国高等科学技术研究所
8
柔性下肢助力外骨骼
[
41
]
电机
踝
-
麻省理工学院
[
42
]
9
移动式踝助力外骨骼
电机
踝
10.1
哈佛大学
[
43
]
10
柔性仿生主动矫形器
气动人工肌肉
踝
-
新加坡国立大学
[
45
]
11
柔性气动袜
气压
踝
-
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1.1.1 髋关节
髋关节由髋臼和股骨头构成, 它属于多轴球窝关节, 具有 3 个自由度, 可完成前屈/后
伸、内收/外展及旋内/旋外运动, 实现在步行运动过程中的直线行走、平衡调节和改变方向
的功能.髋关节助力装置是一种可穿戴于患者外侧的柔性机械系统, 借助驱动系统, 辅以角
位移传感器以及力矩传感器, 使患者与下肢助力装置的运动协调一致, 帮助患者抬腿, 加大
蹬地力量, 扩大患者的行走步幅, 对穿戴者髋关节提供有规律、适宜的助力.以髋关节助力
为目标的柔性助力机器人, 采用柔性构件代替刚性连杆, 对髋关节助力时, 其旋转中心与髋
关节旋转中心重合, 人机干涉小, 结构简单、使用方便, 有效减小了助力装置的质量和惯量.
日本中央大学的 Kawamura 等
[
29
]
研制了用于提高老年人行走能力的行走助力机器人
(图 1), 采用直纤维型气动人工肌肉作为驱动单元, 在步态周期的摆动阶段, 通过拉紧/释放
相应结点, 以髋关节为旋转中心, 产生一个使大腿向前、向上摆动的辅助力/矩, 增加步长,
从而提高行走能力.在跑步机上行走速度 0.97 m/s 的条件下, 平均步长增加 23 mm, 下肢缝
匠肌活性降低, 但在支撑期半腱肌活性增加.另外, 日本信州大学的 Li 等
[
30
-
31
]
开发了采用聚
氯乙烯凝胶(Poly vinyl chloride, PVC)作为驱动单元的轻质行走助力服(图 2), 驱动单元由两
个 PVC 模块组成, 沿下肢表面分布, 两端固定在大腿前侧的结点处, 通过改变驱动单元的
电压, 使 PVC 收缩/膨胀, 拉紧/释放端部结点, 对髋关节前屈运动提供辅助力/矩, 辅助力可
达 94 N.
图 1 行走助力机器人
Fig. 1 Orthosis for walking assistance
下载: 全尺寸图片 幻灯片
图 2 轻质行走助力服
Fig. 2 Lightweight walking assist wear
下载: 全尺寸图片 幻灯片
延边大学的 Jin 等
[
26
]
研制了以柔性连接布带为力矩传递单元的可穿戴柔性助力服(图
3), 采用电机和柔性布带作为驱动单元, 柔性布带沿大腿表面分布, 电机通过牵引柔性布带,
对髋关节施加以较小的辅助力/矩.对 9 名受试者在 1.03±0.111.03±0.11 m/s 的行走速度和最
大辅助力为 24.5±3.9224.5±3.92 N 的条件下, 代谢消耗平均减少 5.9 %, 能量输入效率为
24 %, 而文献[32]单独对髋关节后伸运动提供辅助力/矩, 其能量输入效率为 18 %, 表明该
助力服
[
26
]
为日常行走节省的能量较少, 但能量输入效率较高.
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