可穿戴柔性上肢外骨骼的研究进展与展望

为研究可穿戴柔性上肢外骨骼的发展现状和其面临的关键技术难题,对目前该领域的文献进行了分析与总结。外骨骼可以有效地提供保护、支撑等功能,解决高强度重复性工作导致的肢体疲劳和身体机能衰退,以及中风或职业病导致的肢体运动障碍。此外,它们有能力通过额外的动力和功能来恢复或增强人类的运动能力。可穿戴柔性外骨骼作为一种新兴的外骨骼发展方向,相较于传统的刚性外骨骼,具有结构柔顺、人机交互性好和穿戴舒适性好等明显优势。首先,本研究结合柔性上肢外骨骼的3种主要驱动方式(绳驱、气动、形状记忆合金),详细解析不同驱动方式的相关研究成果和相应结构特点。然后,从结构、材料、控制、辅助4个方面分析和阐述如今柔性上肢外骨骼面临的关键技术挑战。最后,结合外骨骼在不同领域应用的需求,推测未来柔性上肢外骨骼技术将向灵活化、舒适化、顺应化、智能化方向发展。研究表明,可穿戴柔性上肢外骨骼的技术尚处于初始阶段,仍有许多技术难题亟需解决,同时,新型的柔性执行器,柔性传感器等可为关键技术难题的突破提供参考。

下肢外骨骼康复机器人仿真和试验分析

目的为了帮助下肢运动障碍者进行有序康复训练,设计一种下肢外骨骼康复机器人,动力源驱动下肢交叉摆动模拟人类正常步态行走,实现双下肢协调运动,帮助下肢运动障碍者完成康复训练。方法建立外骨骼机器人三维模型、下肢外骨骼机器人D-H模型,对下肢外骨骼康复机器人进行正、逆运动学分析,并将模型导入ADAMS,创建运动副与驱动函数进行运动学仿真,在此基础上制作样机并进行动力学测试试验分析。结果正、逆运动学验证了外骨骼康复机器人空间运动的合理性,ADAMS运动仿真结果与理论计算具有良好一致性,从而保证设计的下肢外骨骼结构与穿戴者下肢同步协调。仿真分析发现理论计算和仿真的误差主要来源于驱动函数误差,动作误差最大为2.15 cm。试验验证髋关节、膝关节运动与参考输入运动具有一致性。但是运动存在误差,髋关节平均误差为5.57°,膝关节平均误差为5.45°,实验发现电机扭矩不足是引起运动误差的首要因素,其次是零件加工误差和装配误差。结论通过理论计算、仿真与试验分析验证了方案的可行性,发现驱动误差、零件加工精度和装配精度可带来误差。研究结果可为进一步完善机器人性能和研究康复机器人动力学影响因素提供基础和参数依据。

有源刚性下肢助力外骨骼研究现状与关键技术分析

有源刚性下肢助力外骨骼系统是一种穿戴在人身体上的伴随式智能装备,单兵穿戴者通过它能提高人体负载与机动能力。从有源刚性下肢助力外骨骼的国内外研究现状出发,概述了当前助力增强型有源刚性下肢外骨骼的发展现状,并围绕国内外已有研究的进展,对影响下肢助力外骨骼发展的传感感知、机械构型与驱动、控制技术等核心关键技术进行了分析与总结,特别考虑了外骨骼在应对士兵这类特殊群体时的技术难点,为有源刚性下肢助力外骨骼在单兵装备的发展上提供一定的参考价值。

下肢外骨骼机器人步行训练对痉挛型双瘫脑性瘫痪患儿平衡功能的影响

目的:探讨下肢外骨骼机器人步行训练对痉挛型双瘫脑性瘫痪患儿平衡功能的影响。方法:纳入2022年7月至2022年12月间就诊于浙江大学医学院附属儿童医院康复科的痉挛型双瘫脑性瘫痪患儿20例为治疗组,采用配对设计,年龄、性别、功能状态匹配的20例作为对照组。两组均给予常规的运动康复训练(运动疗法、悬吊训练、等速肌力训练),治疗组在此基础上增加下肢外骨骼机器人步行训练。在治疗前、治疗8周后对两组患儿进行表面肌电(sEMG)测试、动态平衡反应位移测试、静态平衡评分测试和儿童平衡量表(PBS)测试。结果:治疗前两组患儿臀大肌、臀中肌、股四头肌和胫前肌RMS数值,动态平衡反应位移、静态平衡评分及PBS评分组间差异无显著性意义(P>0.05),两组患儿治疗后臀大肌、臀中肌、股四头肌和胫前肌RMS数值,动态平衡反应位移、静态平衡评分及PBS评分均增加,治疗前后组内比较具有显著性意义(P<0.05),治疗后较治疗前有所改善,组间比较两组患儿治疗前后臀大肌、臀中肌和股四头肌RMS数值差值(臀大肌P=0.021;臀中肌P=0.016;股四头肌P=0.004)、动态平衡反应位移差值(前侧P=0.014;左侧P=0.003;右侧P=0.003)、静态平衡评分差值(P=0.005)及PBS评分差值(P=0.004)具有显著性意义,治疗组差值大于对照组,治疗组改善效果优于对照组。结论:下肢外骨骼机器人结合常规康复治疗能更加有效地改善痉挛型双瘫脑性瘫痪患儿平衡功能。

基于改进涡流搜索算法的外骨骼迭代学习控制

为提升康复外骨骼机器人的步态跟踪性能,提出一种基于改进涡流搜索算法的迭代学习控制方法。首先针对传统迭代学习控制抗扰性差和控制信息缺失问题,引入PD控制器、自适应遗忘因子、误差过渡曲线和控制信息搜索等策略,改进迭代学习控制律;其次,基于多种策略对涡流搜索算法进行改进,提出了一种改进涡流搜索算法,改进后的算法可优化迭代学习控制的PD参数;最后进行行走实验,将提出的迭代学习控制方法与现有的同类算法进行仿真和数值比较,并测试了扰动情况下的跟踪性能。实验结果表明,所提方法的误差更小,跟踪性能更强。该算法改进了迭代学习控制的不足,具有较强的抗扰性能,保证了使用时的稳定性。

肌电和足压信息融合的外骨骼步态识别

为解决基于单一信号识别步态相位不够精准的问题,开展了动态交互力激励下的人机协同行走的步态识别研究。设计了肌电和足压信息采集的多模态传感器检测硬件平台;分别对单一信号开展滤波降噪、特征提取与降维等预处理;将表征下肢生理信息的肌电信号与运动信息的足压信号相融合,构建了支持向量机-模糊C均值(support vector machine-fuzzy C-mean algorithm,SVM-FCM)多模信息融合的外骨骼助行步态识别算法;开展了人机协同助行实验,实验结果表明:信息融合后的人机步态相位平均识别率达到82.49%,优于使用单一信号的识别效果,验证了多模信息融合算法识别人机协同步态的有效性。本研究可用于下肢外骨骼机器人运动控制,为人机运动相融奠定基础。

人体穿戴髋关节助力外骨骼的行走运动学分析

针对现有下肢助力外骨骼研究中缺少对关节层面的运动学分析以及缺少对髋关节外骨骼助力机制的研究这一现状,对一款髋关节助力外骨骼在多种助力模式下的运动进行采集和分析,得到被试在不穿戴外骨骼、外骨骼零助力、外骨骼低助力、外骨骼中助力、外骨骼高助力和外骨骼阻力共6种模式下的运动数据,并通过逆运动学计算和数据分析,得到关节角度曲线和步态特征。实验结果在关节层面明确了髋关节外骨骼的助力机制,可为助力外骨骼的设计和运动控制提供参考。

下肢战伤康复轮足外骨骼设计与步态试验

针对脑部和脊柱战伤士兵的术后康复训练、战时转移、生活代步需求,设计了一种下肢战伤康复轮足外骨骼,通过共用结构和驱动系统进行不同的组装来实现不同工作模式,提高装备的集成度和减轻整体质量;建立轮足外骨骼单腿摆动期的二连杆模型并推导其动力学模型;利用动力学模型和轮足外骨骼的虚拟样机模型分别获得髋、膝关节的理论计算和虚拟仿真力矩;建立基于位置阻抗的轮足外骨骼主动康复训练控制策略,搭建轮足外骨骼实物样机,获得样机的关节运动轨迹与人机交互力。理论计算、虚拟仿真及摆动腿试验测试3种方法的关节力矩曲线走势基本一致,说明理论计算和虚拟仿真模型的正确性;基于步态试验所获得的数据表明其轨迹误差和交互力均较小,满足设计要求,验证了轮足外骨骼设计的合理性与可行性。

基于反步法的下肢外骨骼机器人控制研究

针对下肢外骨骼预定轨迹的控制问题,在构建了二自由度机械腿的运动学和动力学模型的基础上,提出了一种非对称液压缸负载力、伸缩量与外骨骼转动扭矩、运动角度的转化关系,采用反步法控制下肢外骨骼系统的运动轨迹。首先,采用D-H法建立了二自由度下肢外骨骼系统的运动学模型,研究了外骨骼末端执行器关节速度的变化关系,并利用拉格朗日动力学方程推导了外骨骼动力学的数学模型;然后,使用了液压缸负载力控制为机械腿运动提供了相应的扭矩,进而控制了下肢外骨骼的运动姿态;其次,针对下肢外骨骼运动时的高精度要求,利用反步法控制理论,建立了阀控非对称缸系统,结合下肢外骨骼动力学系统整体的状态空间方程,利用下肢外骨骼液压伺服系统控制了下肢外骨骼进行预定轨迹运动;最后,对AMESim软件与Visual Studio软件进行了联合仿真,对比分析了PID控制与反步法控制的精度问题。研究结果表明:针对下肢外骨骼预定轨迹控制,反步法控制误差最大值为2°,对比传统PID控制,误差降低了67%;设计的反步法控制器对于下肢外骨骼具有良好的控制精度。

基于人机工程学的下肢外骨骼运动控制

为避免外骨骼机器人髋关节和膝关节尺寸影响患者正常行走功能的恢复,踝尺寸对脚落地姿态的影响,提出一种基于人机工程学的外骨骼机器人运动控制方法.首先利用人机工程学对人体的参数进行收集,并以此构建适合人体尺寸、具有舒适穿戴的外骨骼模型架构,使外骨骼机器人满足穿戴人群差异化的需求;然后所构建的下肢外骨骼架构,建立外骨骼下肢末端的位姿并构建单肢三自由度机械腿的正向运动学方程,通过对机器人的步行计划,外骨骼机器人的实际步行过程由ADAMS进行模拟,验证人体行走时两腿各关节扭矩的变化规律;最后为了验证该方法在关节速度控制中的优越性和有效性,选择模糊PID进行控制.

被动式储能助力下肢外骨骼系统设计与仿真分析

为了达到缓解人体行走时的关节压力、减轻关节负担和辅助人体行走的目的,基于人体行走原理提出了髋膝耦合被动式储能助力外骨骼设计方案。髋膝耦合机构用于实现膝关节的离散化助力,是以髋关节运动控制膝关节助力的离合控制方法。该文运用仿真和实验验证的方法验证了该外骨骼的有效性。运用Adams对人-机模型进行联合仿真,验证外骨骼对人体助力的理论效果。在实际穿戴实验中,通过对比是否穿戴外骨骼人体运动时的能耗来验证外骨骼的真实有效性。对比仿真与穿戴实验数据证明该外骨骼能够降低12%~13%的人体运动能耗。

基于模糊PID控制的柔性下肢助力外骨骼

为给老年人在行走时提供辅助力,设计了一种对人体下肢髋关节和膝关节提供助力的柔性外骨骼,针对直流电动机进行了动力学建模,利用模糊自适应PID控制算法对柔性外骨骼进行控制。通过Simulink仿真分析得出,模糊自适应PID控制算法能够有效地跟踪电动机的期望轨迹曲线。与传统PID控制算法对比,模糊自适应PID算法能有效地抑制外界环境因素对系统的干扰,适应性较强。

外骨骼机器人辅助步行康复治疗脊髓损伤:研究热点的CiteSpace分析

背景:脊髓损伤危害严重,损伤后步行功能障碍最影响患者的日常生活能力,在该领域运用外骨骼机器人开展辅助步行康复研究日趋活跃。目的:应用CiteSpace可视化软件绘制脊髓损伤后外骨骼机器人辅助步行为主题的科学知识图谱,并探讨近10年该领域研究现状、热点及未来趋势,为该领域后续科学研究和临床运用提供借鉴。方法:利用Web of Science核心集数据库通过布尔逻辑运算符进行主题词检索,选择语种英语,检索策略:TS=“spinal cord injury OR SCI”AND“walk OR walking”AND“robot OR exoskeleton OR(exoskeleton-assisted walking)OR EAW”,利用知识图谱软件CiteSpace 6.2.R4对去重后获得的高质量文献进行发文量、国家/研究机构合作、高影响力作者/文献共被引、关键词共现/聚类/突现等主题热点、国际前沿趋势可视化分析,并绘制科学知识图谱。结果与结论:①共纳入544篇高质量文献,近10年该领域发文量、总被引频次呈增长趋势;②发文量排名前3的国家依次是美国、中国、意大利,发文量排名前3研究机构是美国退伍军人事务部、美国退伍军人健康管理局、瑞士联邦理工学院;③被引文献频次最高(167次)和中介中心性最高(0.13)的作者均为美国宾夕法尼亚Esquenazi A团队,在该领域具有较高影响力;④对被引频次、中介中心性前5共被引文献分析显示:目前针对脊髓损伤患者配备动力外骨骼设备步行康复研究重点包括在机构、家庭等真实环境中步行康复训练安全性判断、优势分析、个体化培训计划设计,动力外骨骼设备应用于胸椎及以下节段运动功能完全丧失脊髓损伤患者辅助步行效果优劣、影响因素及应用潜力等;⑤近年该领域研究热点集中于个体化(individuals)、步态(gait)、动力外骨骼(powered exoskeleton)、减重支持(body weight support)、功能性电刺激(functional electrical stimulation)、康复(rehabilitation)、辅助技术(assistive technology)、步行活动(ambulation)、恢复(recovery)等内容;⑥该领域研究早期多应用于脑卒中患者,前沿包括减重支持、往复式步态矫形器及功能性电刺激等技术手段,脊髓损伤外骨骼机器人辅助步行康复研究近年呈现上升趋势,关注点逐渐向以适应性控制为机制的医用下肢外骨骼设备研制、安全性提升、应用潜力挖掘等前沿方向转变,研究检测手段注重联合功能性近红外光谱成像等高端技术,而关注患者生活质量、提升运动训练能力及改善机体结构为该领域未来的研究热点。

下肢外骨骼柔性踝关节设计及助力研究

针对市面上的外骨骼产品普遍存在柔顺性欠佳、能耗高等问题,提出了一种由气弹簧被动助力的柔性踝关节方案。为研究气弹簧对关节力矩以及系统能耗的改善效果,根据踝关节在步态中的不同阶段,建立了气弹簧的力学模型,并通过ADAMS进行动力学仿真验证,选取了弹簧的最优参数。仿真结果表明,气弹簧在最优参数下能有效减小各关节所受的冲击力矩,降低主动关节驱动电动机的能耗,在一定程度上改善了外骨骼的动态性能。

康复外骨骼机器人对脑卒中下肢运动功能障碍疗效的Meta分析

目的:运用Meta分析方法系统评价康复外骨骼机器人对脑卒中患者下肢运动功能的康复疗效,并比较不同下肢外骨骼机器人的疗效差异,为脑卒中下肢运动功能障碍患者选择适合的外骨骼机器人提供科学理论依据。方法:计算机检索Cochrane Library、PubMed、Web of Science、Embase、中国知网、维普和万方数据库的相关文献,收集从建库至2022年11月发表的关于探讨下肢康复外骨骼机器人改善脑卒中患者下肢运动功能的随机对照临床试验。由2名研究人员进行文献检索与筛选,使用Cochrane 5.1.0偏倚风险评估工具和Jadad量表对纳入文献进行质量评价。采用RevMan 5.4和Stata 17.0软件对结局指标进行Meta分析。结果:①最终纳入22篇文献,Jadad评分显示均为高质量文献,共865例患者,试验组436例、对照组429例。②Meta分析结果显示,与对照组相比,外骨骼机器人可显著提高脑卒中患者下肢运动功能(Fugl-Meyer Assessment of Lower Extremity,FMA-LE)评分(MD=2.63,95%CI:1.87-3.38,P<0.05)、平衡功能(Berg Balance Scale,BBS)评分(MD=3.62,95%CI:1.21-6.03,P<0.05)、站起-走测试量表(Timed Up and Go,TUG)评分(MD=-2.77,95%CI:-4.48至-1.05,P<0.05)和步频(MD=3.15,95%CI:1.57-4.72,P<0.05),但对功能性步行量表(Functional Ambulation Category Scale,FAC)评分(MD=0.30,95%CI:-0.01-0.61,P>0.05)和6 min步行测试(6-minute walk test,6MWT)评分(MD=3.77,95%CI:-6.60-14.14,P>0.05)的提高不明显。③网状Meta分析结果显示,FMA-LE评分:平地行走式外骨骼(MD=10.23,95%CI:3.81-27.49,P<0.05)和减重式外骨骼(MD=33.66,95%CI:11.49-98.54,P<0.05)与常规康复治疗相比均能改善FMA-LE评分,排序结果为减重式外骨骼>平地行走式外骨骼>常规康复治疗;BBS评分:减重式外骨骼(MD=79.86,95%CI:2.34-2725.99,P<0.05)与常规康复治疗相比能显著改善BBS评分,排序结果为减重式外骨骼>平地行走式外骨骼>常规康复治疗;FAC评分:平地行走式外骨骼(MD=1.38,95%CI:1.00-1.90,P<0.05)与常规康复治疗相比能显著改善FAC评分,排序结果为平地行走式外骨骼>减重式外骨骼>常规康复治疗;TUG评分:减重式外骨骼与常规康复治疗相比(MD=0.07,95%CI:0.01-0.51,P<0.05)能显著改善TUG评分,排序结果为平地行走式外骨骼>减重式外骨骼>常规康复治疗。结论:康复外骨骼机器人可以改善脑卒中患者平衡、步行以及日常生活活动能力,其中减重式外骨骼在提高下肢运动功能和平衡功能方面疗效更优,平地行走式外骨骼在提高功能性步行和转移能力方面疗效更佳。

助力外骨骼机器人结构设计与运动学建模分析

为了实现日常生活助力功能,文中设计了轻型柔性助力外骨骼机器人的结构,下肢关节采用了主动驱动与被动储能元件相结合,膝关节设置驱动模块,髋和踝关节采用被动储能元件,根据仿生学原理设计人机绑缚装置,并对被动关节进行了节能验证,仿真结果验证了助力外骨骼机器人结构设计的可行性与助力功能的有效性。使用D-H方法建立了外骨骼机器人下肢运动学模型,以Opensim内的正常行走的关节角步态数据作为输入进行了正逆运动学的求解分析。建立外骨骼机器人的三维模型,添加行走时与地面的约束,进行物理模型的运动学仿真,结果证明了外骨骼机器人运动分析的可靠性。

下肢康复外骨骼机器人设计与性能分析

为了更好地辅助偏瘫患者的康复训练,设计了一种基于盘式电机驱动的下肢康复外骨骼机器人,并通过助力效果可视化研究与性能分析来验证其不同康复训练模式的有效性。首先,对下肢康复外骨骼机器人的结构进行了详细设计,并利用OpenSim软件进行了人机耦合的生物力学分析。然后,开展了基于位置跟踪控制的被动康复训练实验以及抗阻康复训练实验并采集表面肌电信号,验证了所设计下肢康复外骨骼机器人在不同模式下辅助患者康复训练的有效性。结果表明,穿戴下肢康复外骨骼机器人能使人体膝关节的力矩减小50%左右;在被动康复训练实验中,跟随误差为-4°~8°,且人体下肢目标肌群的肌肉激活度呈明显的周期性变化;在抗阻康复训练实验中,人体下肢目标肌群的肌肉激活度随负重的增加而提高。所设计的下肢康复外骨骼机器人具有良好的灵敏性和跟随性,其被动及抗阻康复训练模式均有助于偏瘫患者下肢的康复,具有广阔的应用前景。

基于力反馈导纳控制的踝关节柔性外骨骼

针对踝关节康复训练的需求,分析踝关节的运动机理,运用模块化驱动单元与鲍登线,设计轻量化、易穿戴的柔性踝关节外骨骼机器人,实现踝关节跖屈/背屈、内/外翻的运动辅助.柔性外骨骼在背屈和跖屈阶段分别采用位置控制和力矩控制.位置控制以传统PID为主;力矩控制以力为反馈信号,建立交互力差值与鲍登线内芯位移补偿之间的导纳模型.通过Sigmoid变形函数实现导纳参数的动态调控,满足辅助力矩输出和人机交互柔顺性的需求.实验结果表明,位置跟踪误差不超过0.46 cm,力输出误差为-1.5~1.5 N,能够满足人体康复训练的需求.

下肢外骨骼机器人步行训练对痉挛型双瘫的脑性瘫痪患儿步行功能和步态的影响

目的:探索下肢外骨骼机器人步行训练对痉挛型双瘫患儿步行功能及步态的影响。方法:招募2022年8月至2023年1月间就诊于浙江大学医学院附属儿童医院康复科的痉挛型双瘫儿童21例作为治疗组,采用配对设计,年龄、性别、功能状态匹配的21例作为对照组。两组均给予8周,5次/周常规的运动康复训练(运动疗法、悬吊训练、等速肌力训练),治疗组在此基础上增加下肢外骨骼机器人步行训练。在治疗前、治疗8周后对两组患儿进行6min步行试验(6MWT)、粗大运动功能测试量表88项版本(GMFM-88)D区及E区测试,并采用IDEEA运动捕捉系统评估患儿步态,得到步速、步频、步幅、支撑相时间等步态参数。结果:治疗前两组患儿6min步行距离(6MWD)、GMFM-88 D区评分、E区评分、步速、步频、步幅、双侧支撑相占比均无显著差异(P>0.05),治疗后两组患儿6MWD、GMFM-88 D区评分、E区评分、步速、步频、步幅均增加,双侧支撑相占比降低。组间比较治疗后上述指标无显著性差异(P>0.05),组间比较两组患儿治疗前后6MWD差值(PP<0.01),GMFM-88 D区评分差值(P<0.01)、E区评分差值(P<0.01)、步速差值(P<0.05)、步幅差值(P<0.05)、双侧支撑相占比差值(P<0.01)均有显著性差异,治疗组改善优于对照组。结论:外骨骼机器人训练结合常规康复治疗能够有效改善痉挛型脑瘫患儿的步行功能和步态。

基于KANO模型和TRIZ理论的下肢外骨骼机器人设计

为提升脑卒中老年人患者术后的康复效果,提出基于KANO模型和TRIZ理论的下肢外骨骼机器人产品设计方法。首先,通过访谈法和文献分析法获取用户需求。其次基于用户需求设计KONA问卷,利用KANO模型计算需求指标的满意度系数,得出各项指标的优先排序,确定产品的功能;依据TRIZ理论的阿奇舒勒矛盾矩阵和对应的40条发明原理解决设计方案的矛盾冲突。最后进行设计实践,使用优度评价方法筛选出最优设计方案。针对下肢外骨骼机器人进行创新设计,满足了术后老人的康复需求,以期为今后老年人康复医疗产品设计提供新的思路。