導(dǎo) 語
近日，中國科學(xué)院自動化研究所侯增廣醫(yī)療機器人團隊李國濤等提出了一種膝關(guān)節(jié)外骨骼空間自對齊機制，實現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)屈伸伸展和髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋的同時運動輔助。針對人體與機器人關(guān)節(jié)軸線的不對齊問題，建立了膝關(guān)節(jié)外骨骼的運動學(xué)模型，證明了該外骨骼的運動相容性。提出了基于全局力矩操作度指數(shù)的膝關(guān)節(jié)外骨骼優(yōu)化方法，提高了力矩傳遞能力。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《IEEE Transactions On Neural Systems And Rehabilitation Engineering》中。
1、研究背景
傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)外骨骼設(shè)計，通常將膝關(guān)節(jié)簡化為一個簡單的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并未考慮人機關(guān)節(jié)軸的錯位，這會對用戶產(chǎn)生不良交互力，降低佩戴舒適度。自對齊機構(gòu)是解決人機關(guān)節(jié)軸線錯位問題的重要途經(jīng)，但目前的設(shè)計都基于平面自對齊機構(gòu)，其無法適應(yīng)三維空間中膝關(guān)節(jié)的瞬時旋轉(zhuǎn)中心，空間自對齊機構(gòu)設(shè)計方法仍不清晰。軟性外骨骼和剛?cè)峄旌贤夤趋酪部梢杂糜谔岣叽┐魇孢m度，但是它們往往難以獲得期望的載荷能力。因此，本研究專注于研究基于空間自對齊機構(gòu)的剛性外骨骼機器人，以確保外骨骼既有足夠的載荷能力，又具備良好的穿戴性能。
2、研究概述
基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計，研究團隊設(shè)計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現(xiàn)心臟的同步機械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機械運動和電活動。
膝關(guān)節(jié)外骨骼可以同時輔助膝關(guān)節(jié)的屈曲伸展和髖部的內(nèi)旋外旋運動，也可以通過膝關(guān)節(jié)外骨骼完成二者的協(xié)同運動輔助。使用該膝外骨骼機器人有望拓展康復(fù)訓(xùn)練模式，增強下肢運動輔助的靈活性，以提高外骨骼的康復(fù)效果。因此，本研究設(shè)計了一款具有髖部內(nèi)旋外旋功能的便攜式膝關(guān)節(jié)外骨骼機器人。
圖1 膝關(guān)節(jié)外骨骼的設(shè)計。(a)和(b)為整體結(jié)構(gòu)和驅(qū)動單元，(c)和(d)表示膝關(guān)節(jié)的屈曲伸展運動和髖部的內(nèi)旋外旋運動。
圖1給出了帶有力矩傳感器的膝關(guān)節(jié)外骨骼整體結(jié)構(gòu)圖。其中膝關(guān)節(jié)外骨骼由一個萬向節(jié)、一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、兩個滑動關(guān)節(jié)和一個力矩傳感器組成。為了增強結(jié)構(gòu)強度，使用兩個滑塊構(gòu)建了大腿上的滑動關(guān)節(jié)，并使用一個較大的滑塊構(gòu)建了小腿上的滑動關(guān)節(jié)。在膝關(guān)節(jié)外骨骼中，使用纜繩1和相應(yīng)的兩個滑輪來驅(qū)動與膝關(guān)節(jié)屈曲伸展相對應(yīng)的萬向節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，而使用纜繩2和相應(yīng)的滑輪來驅(qū)動與髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋相對應(yīng)的另一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。
本研究通過實驗證明了所提出的外骨骼在膝關(guān)節(jié)屈曲伸展和髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋運動方面的性能。具體包括：運動學(xué)透明度驗證、運動范圍測試、相互作用力實驗和運動輔助實驗。
實驗結(jié)果如下：圖2給出了在輔助膝關(guān)節(jié)屈曲伸展運動期間的相互作用力和扭矩的實驗結(jié)果。定義每個力/力矩的均值的絕對值為AM。定義三個力/力矩的AM平方和的算術(shù)平方根為力/力矩的SRAM。圖3給出了三個外骨骼的AM的結(jié)果。相對基于平面自對齊機構(gòu)的外骨骼機器人，所設(shè)計的膝關(guān)節(jié)外骨骼的Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx，Ty和Tz的AM分別降低了38.8%，2.0%，8.0%，53.7%，11.5%和10.6%；相對傳統(tǒng)單軸外骨骼，降低了89.8％、73.1％、14.1％、87.0％、79.1％和16.3％。相對基于平面自對齊機構(gòu)的外骨骼，所設(shè)計外骨骼機器人的力和力矩的SRAMs分別降低了8.1％和26.4％；相對傳統(tǒng)單軸外骨骼，降低了28.1％和72.1％。
圖2 膝關(guān)節(jié)屈曲伸展輔助的相互作用力和力矩實驗結(jié)果。%FE表示任務(wù)進度的百分比。
圖3 膝關(guān)節(jié)屈曲伸展運動輔助期間相互作用力和力矩的AM統(tǒng)計結(jié)果。
圖4展示了髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋運動輔助的實驗結(jié)果，圖5呈現(xiàn)了滑塊解鎖和滑塊鎖定狀態(tài)下的AM結(jié)果。在滑塊解鎖狀態(tài)下，開發(fā)的外骨骼的Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx，Ty和Tz的AM分別比鎖定狀態(tài)下低了30.5%，8.0%，33.7%，47.8%，28.6%和44.8%。相對滑塊鎖定狀態(tài)，所設(shè)計的膝關(guān)節(jié)外骨骼在滑塊解鎖狀態(tài)下的力和矩SRAM分別比鎖定狀態(tài)下低了6.4%和45.7%。實驗結(jié)果表明，在膝關(guān)節(jié)屈曲伸展和髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋運動兩種運動輔助功能方面，所提出的外骨骼均比現(xiàn)有的外骨骼表現(xiàn)出更低的相互作用力和力矩。
圖4，髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋輔助的相互作用力和扭矩實驗結(jié)果。%IER表示任務(wù)進度的百分比。
圖5，在髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋輔助期間相互作用力和力矩AM的統(tǒng)計分析結(jié)果。
3、研究意義
本研究專注膝關(guān)節(jié)外骨骼的機構(gòu)設(shè)計及其運動輔助功能，所設(shè)計的膝關(guān)節(jié)外骨骼在運動學(xué)透明度、ROM、交互作用力/力矩以及運動輔助等方面，均展現(xiàn)出優(yōu)越的性能，為設(shè)計一種能夠在康復(fù)過程中同時輔助膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)運動的外骨骼康復(fù)機器人提供了新的思路。
參考文獻：
G. Li, X. Liang, H. Lu, T. Su and Z. -G. Hou, “Development and Validation of a Self-Aligning Knee Exoskeleton With Hip Rotation Capability,” IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 32, pp. 472-481, 2024.
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