人体生物力学数据分析与评估对外骨骼机器人设计及优化有什么影响和助益？

外骨骼机器人，通俗来说就是“套在人体外面”的机器人，它是基于仿生学和人体工程学的设计，也称“可穿戴机器人”，感觉很像钢铁侠的战甲，让人感到幸福的是以前电影里的炫酷战衣，现在已经走进了我们的生活。外骨骼机器人是一种新型的辅助设备，可以帮助健康人完成一些原本需要较大力量或较高技能的工作，帮助有身体障碍的人更好的工作和生活。外骨骼机器人一般由支撑体系、助力系统、身体运动控制系统等部分构成。其中，支撑体系主要负责外骨骼的负重和支撑；助力系统拥有强劲的推力，可实现由机器人来完成人体本身难以完成的动作；身体运动控制系统则是外骨骼机器人的核心，它能够根据对人体生理结构的深入理解，实现人体肢体设备的准确运动控制。外骨骼机器人的关键在于对人体运动学和生理学的深入掌握，以及对其动作模拟和控制的高度精确性。所以，我们认为人体运动生物力学数据分析与评估对于外骨骼机器人的设计与优化非常重要，那么二者之间究竟是怎样的关系呢？我们可以从两个方面做一下分析：

 

一、准确人体运动生物力学数据能为外骨骼机器人设计及优化提供很大助力

外骨骼机器人的拟人化，要求在进行外骨骼机器人设计时，一定要充分了解和掌握人体的生理结构和运动机理，并根据人体活动时各关节的运动特征，设计合理的自由度和活动范围。例如设计和组装一个肘部的医疗康复外骨骼，让它具有一个自由度的屈伸运动，由形状记忆合金线驱动，在这人过程中仿真工具就发挥了重要作用：为了估计特定病人在关节处的必要力矩，使用了一个模拟软件--身体生物力学（BoB）。BoB是MATLAB/Simulink中的人体肌肉骨骼模型。BoB由骨架的36个环节和666块肌肉组成。这个工具是由考文垂大学（英国）开发的，它有两个版本：一个用于逆动力学，另一个用于直接动力学。在逆动态模型中，BoB计算关节的扭矩、肌肉的负荷分布和关节的接触力。该软件能够模拟人体的反向动态行为，接受病人的身高、体重和运动作为输入，并将关节的扭矩等数据作为输出。在正向动态模型中，BoB可以计算出由肌肉激活和外力作用引起的运动。因此，BoB是一个非常强大的工具，它有非常强大的图形能力和数据后处理功能。特别是，肘关节是上臂的肱骨与前臂的桡骨和尺骨之间的关节，它允许手向身体方向移动和离开。肘关节的特点是2-DOF；一方面，一个自由度用于屈伸运动，另一方面，一个自由度用于前屈后伸运动。屈伸运动的角度范围估计在0到150度之间，但在ADL中，功能范围估计在30到120度之间。在仰卧起坐运动中，仰卧起坐的平均角度为71度，仰卧起坐的平均角度为81度（图2）。通常在ADL中，前屈的总范围约为50度，上举为50度。

图2 肘关节的正常运动范围。

 

在这种情况下，模拟配置了以下参数：体重80公斤，身高1.8米，右肘关节的运动轨迹在0到150度之间，运动频率为0.25赫兹。此外，还施加了一个20N的力。从模拟中可以看出，要成功地完成肘关节的康复任务，需要一个大约3.5牛的扭矩（图3）。这种情况下，假设病人已经明确地失去了运动功能，所有的力都由外骨骼来完成。

图3 (a) BoB模拟器配置在肘关节的屈伸状态。(b) 肘关节的必要扭矩的模拟结果。

 

最后，在考虑到医疗康复过程的舒适性的同时，根据拟人化的措施设计肘关节的外骨骼结构：

图4 用于肘部医疗康复的可穿戴外骨骼，带有形状记忆合金执行器

 

二、外骨骼机器人与人体生物力学评估互相促进

生物力学评估是一种研究人体运动和力学特性的方法，可以通过测量人体的运动轨迹、力量、速度等参数，来评估人体的运动状态和运动能力。机械外骨骼作为一种辅助设备，可以帮助人们完成一些原本需要较大力量或较高技能的工作，如搬运重物、爬楼梯等。这些工作的完成过程中，机械外骨骼会记录下人体的运动轨迹、力量、速度等参数，这些数据可以用于生物力学评估。

在采用力学测量技术来评估外骨骼机器人的功能和效果时，可以这样做：

1.动作分析：通过运动捕捉系统和视频监控记录机械外骨骼使用者的运动情况，包括步态、坐立、行走等活动的姿势和运动模式。

2.力板测量：通过在机械外骨骼和地面之间放置力板来测量机械外骨骼和使用者之间的力量和反作用力。

3.电动测量：通过电极和传感器来检测机械外骨骼和身体的肌肉活动和肌肉力量，以及身体的生物电信号。

4.压力分布分析：通过在不同部位的传感器观测到机械外骨骼和身体之间的压力分布情况。

通过以上生物力学评估技术，可以进一步了解机械外骨骼与使用者的相互作用，以及机械外骨骼对身体运动和姿势的影响，从而提高机械外骨骼的应用效果和安全性。

当然通过对外骨骼机器人的生物力学评估，了解人体在使用机械外骨骼时的运动状态和运动能力，对改善和提高人体运动能力和运动表现也是非常有帮助的。

日本东京电机大学设计研发了一种7-DOF的外骨骼式医疗康复机器人（图5），该机器人使用位置信号进行控制工作，具体工作方式为监测患者的位置与患者和外骨骼之间的相互作用力，患者进行康复训练运动便由该外骨骼机器人的控制信号进行。由日本佐贺大学研制的康复医疗机器人SUEFUL-7（图6）可在训练过程中及时调整中心位置，这一方式可以使外骨骼机器人的相关关节与患者的相关关节尽量保证对应位置相同，但这一功能又限制了外骨骼机器人协同患者进行运动的运动形式，使患者的运动范围被限制。HAL系列的外骨骼机器人由日本筑波大学的以Sankai.Y教授为首的科研团队进行研发[7]。该产品现已交由日本的Cyberdyne公司进行生产转化，并且美国市场在2017年开始使用此项发明产品，该产品的得到了有关部门的批准。HAL-SJ型号的产品为运动辅助型的单个运动关节的上肢外骨骼：肘关节的运动由一个电机对应驱动，为单自由度的外骨骼机器人,此肘部关节运动范围几乎与人体肘部日常运动范围相似，为0°~120°。电机安装在接近于人体肘部关节处，外骨骼运动传递方式为直驱传动。控制方式由上肢大臂皮肤表面上的电极检测患者表面肌电信号，该肌电信号会有一定的电位差，系统收集该肌电反馈信号给控制模块进行最终的控制康复训练。由HAL系列的外骨骼的多次测试实验的数据统计表明,该外骨骼合理的康复训练模式对于上肢的功能康复改善效果是非常明显的。

图5 东京电机大学

 

图6 佐贺大学SUEFUL-7

我们都认为在未来，外骨骼机器人一定会达到人机一体化的程度，若要实现此目的，则需要外骨骼机器在运动过程中，对人体的运动意图进行识别判断及预测，利用生物肌电信号的超前性特点提前预测人体的运动意图，实现外骨骼机器人的人机交互实时性是一个很好的解决办法。采集外骨骼机器人的运动文件，结合运动时人体的肌电信号，将人体运动生物力学仿真模型与肌电信息结合在一起，对于外骨骼机器人的人机一体外设计将发挥相当有效的助力。

总结：

外骨骼机器人在运动辅助和康复应用中具有重要的应用价值。对外骨骼机器人的研究与探索具有无限的发展空间，而在这一过程，人体生物力学仿真建模工具及其他生物力学分析辅助设备，将会发挥重要作用。只有真正实现“人机一体化”的外骨骼机器人，才能在未来给人类及社会发展带来更多惊喜！