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人体下肢外骨骼机器人的步态研究现状

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中国骨科临床与基础研究杂志 2012 年 2 月第 4 卷第 1 期 Chin J Clin Basic Orthop Res, Feb 2012, Vol.4, No.1





人体下肢外骨骼机器人的步态研究现状
王 楠, 王建华, 周民伟

【摘要】外骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置相结合的一种机器人, 不仅可以为操作者提供 保护、 身体支撑等功能, 还可以在操作者的控制下完成一定的功能和任务, 应用前景巨大。文中阐述人体下肢 外骨骼机器人下肢外骨骼实现行走应具备的关节及其活动度, 介绍下肢外骨骼机器人步态控制的基础— —正 常步态分析, 详细论述了目前控制下肢外骨骼机器人行走及步态稳定性的主要方法。 【关键词】下肢; 机器人; 外骨骼; 步态

中图分类号: R-05, R336

文献标识码: A

文章编号: 1674-666X(2012)01-0062-06

Current researches of gait analysis on human lower extremity exoskeleton robotic device WANG Nan, WANG Jianhua, ZHOU Minwei. Department of Overseas Chinese, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command, Guangdong 510010, China 【Abstract】Exoskeleton robotic device is a kind of robot that combines the intelligence of human with the mechanical power of machine, which can not only provide protection and support for operators but also accomplish certain functions and missions under the control of operators. In this paper, relative key factors of lower extremity exoskeleton robotic device techniques are introduced briefly such as the joints and the range of motion (ROM) which the lower extremity exoskeleton should be equipped, the normal gait analysis which is the basis of gait control of the exoskeleton robot, and then the major walking control methods and gait stability control methods for lower extremity exoskeleton robotic device which are discussed in detail. 【Key words】Extremities; Robotics; Exoskeleton; Gait

外骨骼 (exoskeleton) 一词来源于生物学, 是 指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构 , 如 甲壳类和昆虫等节肢动物的外骨骼系统。人体外
[1]

骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置 结合为一体的机器人 [2]。美国于 2000 年开展了 “增 强 人 体 机 能 的 外 骨 骼” (Exoskeletons for Human Performance Augmentation, EHPA) 研究项 目[3-4], 自此, 外骨骼机器人的开发与应用逐渐进入

DOI: 10.3969/j.issn.1674-666X.2012.01.010 基金项目: 广东省科技计划项目 (2010B010800006) 广州市科技 , 计划项目 (2010J-E311) 作者单位: 510010 广州军区广州总医院华侨科 (王楠) 脊柱外科 ; (王建华) 医务部 ; (周民伟) E-mail: 115989930@qq.com

人们的视线, 成为关注的焦点。由于外骨骼机器 人不仅为操作者提供了诸如保护、 身体支撑等功 能, 还能在操作者的控制下完成一定的功能和任 务, 因此在下肢功能障碍患者的步行功能锻炼过 程中的应用逐渐增多[5-7]; 此外, 其在单兵作战装备

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研发等军事领域也获得了广泛应用[8-9]。 对正常人体行走时的步态分析是人类下肢外 骨骼设计的一个重要研究方面 [10-11]。由于人体下 肢外骨骼需要辅助人体的承载并跟随人体一同活 动, 故对外骨骼的设计必须考虑外骨骼与操作者 之间动作的协调性和一致性, 且应与人体下肢具 有相同的关节活动度。因此, 分析正常人体下肢 活动特点及行走时的步态是设计下肢外骨骼并实 现行走的基础。在此基础上设计下肢外骨骼应具 备的关节及关节活动度, 然后通过人机互动操作 外骨骼, 并对外骨骼机器人步态的稳定性进行控 制, 从而完成外骨骼机器人系统的仿生设计。 1 关节及其活动度 正常人体下肢的主要大关节包括髋关节、 膝 关节和踝关节, 其余和行走相关的关节包括膝部 的髌股关节、 足部的跖趾关节和趾骨间关节等。 关节的运动主要是沿着 3 个相互垂直的轴所进行 的运动, 包括沿冠状轴的前屈和后伸运动、 沿矢状 轴的内收-外展运动以及沿垂直轴的内旋-外旋运 动等, 而关节活动度就是指关节运动时所通过的 运动弧。正常的关节活动范围是正常运动必不可 少的前提条件之一。髋关节正常活动度为: 屈曲 130°~140°, 后伸 10°~30°, 内收 20°~30°, 外展 45°~60°, 内旋 30°~45°, 外旋 40°~50° 。膝关
[12]

起到辅助平衡的作用; 膝关节主要用来调整重心 的高度以及摆动腿的着地高度, 使之与地面的状 态相适应; 而踝关节则用来与髋关节相配合以实 现支撑腿和上躯体的移动, 并调整脚掌与地面的 接触状态, 从而完成步行过程[16]。

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下肢外骨骼机器人应具备的自由度和活动度 需要根据正常人体下肢关节的功能来设计 [17-18]。 髋关节主要实现大腿的大角度运动、 腰部的转动 及躯干的弯曲, 需根据髋关节活动度设置屈伸、 收 展、 旋转 3 个自由度; 膝关节实现小腿的大角度摆 动, 需根据膝关节活动度设置屈伸 1 个自由度, 膝 关节旋转可忽略; 踝关节实现足部围绕踝关节的 上下大角度屈伸及左右小角度旋转, 需要设置 2 个自由度。但出于安全因素方面的考虑, 外骨骼 机器人的关节活动度应略小于正常人体的关节活 动度。 2 正常步态分析 正常步态即正常人体采用最自然、 最舒适的 姿态行进时的步态。它应具有 3 个特点: 身体平 稳、 步长适当、 耗能最少[19]。Grabiner 等[20]认为, 正 常的步态必须具备以下条件: 支撑期稳定性好, 摆 动期足部放松, 有足够的步长, 膝关节在支撑期吸 收震荡且积蓄能量, 在摆动期能够带动小腿和足 部运动。 步态分析是外骨骼机器人设计中不可或缺的 技术环节 [21-22], 它通过生物力学和运动学手段, 揭 示正常步态的关键环节和影响因素, 从而有助于 外骨骼机器人的步态机理研究、 步态控制及行走 稳定性控制方法的研究等。 在人体正常行走过程中, 个步态周期是指从 1 一侧脚跟着地开始到该脚跟再次着地。通过对正 常人体行走步态的研究, 个步态周期可抽象出 3 1 个典型步态时相: 单支撑相、 双支撑相及摆动相。 Chu 等 [23] 通过正常步态分析得出不同步态时相时 髋、 踝关节角度及扭矩的动态变化, 膝、 为该研究 小组设计外骨骼机器人提供参考。赵凌燕等[24]以 健康男性青年为对象, 对人在行走过程中髋关节

节正常活动度为屈曲 120°~150°, 一般伸直 0°, 有 时过伸状态约为 5°~10°, 当膝关节屈曲时, 股骨 两侧髁后部进入关节窝, 嵌锁因素解除, 侧副韧带 松弛, 膝关节可绕垂直轴作轻度的旋转运动, 内旋 外旋各 10°左右 。踝关节正常活动度为背伸约
[13]

35°, 趾屈约 45°, 在跖屈时, 足可做一定范围的侧 方运动, 30° 。 约
[14]

为了简化研究过程, 降低分析难度, 根据正常 人体行走时下肢运动的习惯, 设计的下肢外骨骼 机器人至少应包括髋、 踝关节[15]。从生理角度 膝、 分析, 膝、 髋、 踝关节对于稳定有效的行走来说是 必不可少的, 髋关节主要用于摆动双腿, 实现迈步 并使上肢躯体前倾或者后仰, 以便在步行过程中

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的旋转运动进行实验研究, 采用扩展广义 Sigmoid 型函数的方法进行模型化描述, 结果表明, 身高和 行走速度对髋关节运动幅度有显著性影响。王西 十等 基于膝关节的解剖特征, 得出膝关节在矢 状面内运动时的运动协调约束方程, 为建立人体 下肢生物动力模型提供理论依据。赵彦峻等 在 对外骨骼机器人进行前期设计及后期仿真过程 中, 根据行走步态各个时相不同的运动特点, 采用 多体系统动力学方法 (如拉格朗日方程) 分别对不 同的时相建立不同的运动学和动力学的数学模 型, 以此为基础成功设计了具有辅助士兵承载能 力的人机一体化下肢外骨骼。 3 外骨骼机器人步态控制 外骨骼机器人具有多关节、 多驱动器和多传 感器的特点, 它与其它机器人最大的区别在于, 其 与操作者之间形成一个人机耦合系统, 操作者处 于系统回路中, 与外骨骼有物理接触 仿生设计中最重要的一环。 对于步态控制, 目前主要有操作者自行控制、 肌电传感器控制 、 灵敏度放大控制 等方法; 对 于步态稳定性控制, 主要有数字信号处理 则
[29] [30] [27-28] [26] [25]

从而获得下肢行走功能。这类控制方式使操作者 可以自行控制下肢外骨骼机器人的活动, 充分利 用了人的智能, 但缺点也是显而易见的, 如操作者 在行走时上肢不能进行其他活动等。 3.1.2 肌电传感器控制 对于下肢仍有部分功能的 患者, 或需增强正常机能的士兵等, 可采用肌电传 感器控制, 在操作者下肢皮肤表面安装传感器, 通 过提取肌电图 (electromyography, EMG) 信号、 分 析 EMG 信号与肌肉力[35]、 关节扭矩[36]的关系、 提取 运动模式特征、 识别动作模式等过程, 进而达到控 制外骨骼机器人的目的。以此方法为代表的外骨 骼机器人为日本的HAL (hybird assistive leg) [37-38]。 -3 其缺点主要是传感器贴在肌肉表面, 剧烈活动时 易脱落, 不适合军事用途; 且每次使用均需贴传感 器, 较为繁琐; 此方法也不适用于下肢功能完全丧 失的患者。 3.1.3 灵敏度放大控制 美国加州大学伯克利分校 研 制 的 BLEEX(Berkeley lower extremity exo[39-40] skeleton) 采 用 灵 敏 度 放 大 控 制 (sensitivity

。因此,

步态控制及稳定性控制的研究成为外骨骼机器人

amplification control, SAC) 方法, 将人作用在外骨 骼机器人上的外力定义为灵敏度函数, 然后最大 化该函数, 以便实现用较小的力控制外骨骼运动 的目的。此法不需在人体上安装传感器, 仅通过 安装在骨骼服上的传感器来实现控制, 使操作者 感受到的外力降低, 舒适度增强。其缺点主要是 难以建立精确的数学模型[41]。 3.2 步态稳定性控制 3.2.1 DSP 系统控制 基于 DSP 系统的步态控制方 法分为步态数据离散化和对每个周期的步态角度 误差补偿两个过程。首先将步态数据离散化为若 干个离散时间, 即将 1 个步态周期 T 分为若干个离 散时间Δt, 由规划的步态周期中的关节角度值与 离散的Δt 时间以及执行机构的几何关系计算出执 行机构对应的离散长度值, 最终得到驱动电机的 线性参数。由于电机传动过程和机器人执行过程 中将出现不可避免的误差, 因此需进行误差补偿, 以实时减少因误差带来的实际步态与理论步态的 偏差。钟翠华等[42]采用 DSP 控制方法设计的助行

(digital signal processing, DSP) 系统控制、 模糊比 例积分微分 (proportion integration differentiation, PID) 控制 、 零力矩 (zero moment point, ZMP) 控
[31]

制[32]等。 3.1 步态控制 3.1.1 操作者自行控制 对于下肢功能完全丧失的 患者, 可以采用上肢的活动来控制外骨骼机器人, 从而获得下肢功能。归丽华等 认为, 上肢和下 肢具有相似的运动轨迹, 只要测量出上肢的运动, 就可以通过机械装置换算为下肢的运动。作者借 助这种上臂运动可控制外骨骼同时运动的方法, 成 功 研 制 出 能 量 辅 助 骨 骼 服 NAEIES 系 统 。 Johnson 等 设计一种运动辅助装置, 在瘫痪、 截
[34] [33]

肢、 下肢麻痹患者的手部安装开关, 将不同的手指 运动对应下肢相应关节的活动, 达到一对一映射,

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外骨骼机器人已通过样机试验验证, 获得了较好 结果。 3.2.2 模糊 PID 控制 PID 控制即是根据系统的误 差, 利用比例、 积分、 微分计算出控制量而进行的 控制 [43-45]。徐建安等 [46] 提出一种基于参数分配器 的模糊 PID 运动控制系统, 并在自行研制的移动 机器人上进行运动控制和抗干扰实验研究, 结果 表明, 该方法弥补了常规 PID 运动控制系统对非 线性系统难以适应的不足, 既缩短了动态调整时 间、 减小了稳态误差, 又提高了系统的稳定性。 3.2.3 ZMP 控制 ZMP 理论为步行稳定性的经典 理论, ZMP 是地面上的一点, 外骨骼机器人所受 所有外力的力矩水平分量为 0, 也就是说整体对于 这一点的前向、 侧向力矩为 0。机器人在动态行走 时, ZMP 落在双脚之间的支撑区域内, 若 则其运 动是稳定的。理想状况下, 实际 ZMP 与期望 ZMP 重合, 且始终位于支撑区域内 。但由于地面状 况、 机械精度等的差异, 实际 ZMP 与期望 ZMP 往 往不在同一点, 从而使外骨骼机器人步态不稳定, 此时需要操作者或机器智能调整步态, 使之回归 稳 定 。 陈 占 伏 等 [48] 在 机 械 系 统 仿 真 分 析 软 件 (automatic dynamic analysis of mechanical system, ADAMS) 中建立外骨骼的虚拟样机模型, 并对外 骨骼行走模型进行仿真, 通过对比仿真结果验证 了外骨骼模型处于 ZMP 意义下的动态稳定状态。 4 结语 外骨骼机器人在康复医学、 单兵作战装备等 方面应用前景巨大。尽管目前相关研究中尚有部 分难题未能解决[49-51], 如外骨骼机器人对不平整地 面的适应性有待提高, 能源消耗大导致整个系统 体积庞大且使用时间短暂等等。但随着数学、 计 算机科学的发展以及核能等新能源技术的不断进 步, 相信在不远的将来, 这些课题将会有重大突 破。在解决了以上基本问题后, 下肢外骨骼机器 人下一步将有可能向个性化趋势发展 (即根据每 个使用者行走习惯的不同而不断进行智能学习) , 提供个性化运动模式, 真正实现人与机器的完美
[47]

结合。 参考文献

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(收稿日期: 2011-12-30; 修回日期: 2012-02-01) (本文编辑 白朝晖)





第五届上海国际脊柱畸形、 微创及非融合技术大会会议通知
为促进我国脊柱外科领域的学术交流及发展, 由第二军医大学附属长海医院主办的第五届上海国际 脊柱畸形、 微创及非融合技术大会, 将于 2012 年 3 月 30 日—4 月 1 日在上海召开。 本届会议邀请近二十位国外和数十位国内著名骨科专家, 将重点对近年来脊柱畸形矫治、 脊柱微创 与非融合技术等脊柱外科领域的热点和难点问题进行深入探讨。大会会前学习班为国家级继续教育项 目, 由国内外大师级专家采用专题讲座、 热点讨论等多种形式做精彩演讲。 欢迎登陆 www.scoliosis.cn 了解会议详情。



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