基于人体动力学分析的下肢外骨骼助力设计及机构优化.pdf
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1、第 30 卷第 3 期2023 年 6 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.3Jun.2023基于人体动力学分析的下肢外骨骼助力设计及机构优化陈贵亮,李子浩,蔡超,李永超,杨冬(河北工业大学 机械工程学院,天津 300401)摘 要:为设计助力效果良好的被动式下肢外骨骼,基于对人体行走的运动和力学特征以及相关主要肌群的力学表现的分析,提出了一种下肢外骨骼优化设计方法。通过开展人体行走实验,获取人体运动学信息和足底反力,并将其用于驱动Anybody仿真,从而得到人体行走过程中下肢肌肉的力学数据。借助Hill肌肉模型建立人
2、体矢状面内的髋关节肌肉-肌腱-骨骼简化模型,并在该模型中添加虚拟扭簧以模拟助力外骨骼的作用,形成人体-外骨骼一体化模型。在此基础上,对穿戴助力外骨骼行走时的人机交互力以及穿戴者的肌肉激活情况进行量化分析。建立以扭簧刚度为变量的肌肉激活程度、代谢能计算模型,并以代谢能最低为目标,利用粒子群算法对虚拟扭簧的刚度进行优化以获得最优值。据此,提出髋关节助力外骨骼机构设计方案,并以机构的辅助力矩与虚拟扭簧力矩差值最小为目标进行优化,得到机构中拉簧刚度和各个连杆尺寸的最优值,作为外骨骼机构设计参数。同时,制作髋关节助力外骨骼样机并开展助力行走实验。结果表明,穿戴该助力外骨骼行走时人体代谢能降低效果显著。研
3、究方法可为其他下肢外骨骼的设计和分析提供借鉴。关键词:助力外骨骼;人体动力学;人体建模;运动助力;Hill肌肉模型中图分类号:TP 242 文献标志码:A 文章编号:1006-754X(2023)03-0362-10Design and mechanism optimization of lower limb exoskeleton based on human dynamics analysisCHEN Guiliang,LI Zihao,CAI Chao,LI Yongchao,YANG Dong(School of Mechanical Engineering,Hebei Univers
4、ity of Technology,Tianjin 300401,China)Abstract:In order to design a passive lower limb exoskeleton with good assisting effect,an optimal design method of lower limb exoskeleton was proposed based on the analysis of the motion and mechanical characteristics of human walking and the mechanical perfor
5、mance of the relevant major muscle groups.Through the human walking experiment,the kinematics information and plantar reaction force were obtained to drive the simulation of Anybody,and the mechanical data of lower limb muscles during walking were obtained.With the help of Hill muscle model,a simpli
6、fied model of muscletendonbone of hip joint in the sagittal plane of the human body was established,and a virtual torsion spring was added to simulate the role of exoskeleton,forming an integrated model of human body and exoskeleton.On this basis,the human-computer interaction force and the muscle a
7、ctivation of the wearer were quantitatively analyzed when wearing the assisted exoskeleton.The calculation models of muscle activation degree and metabolizable energy with torsion spring stiffness as variable were established,doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.037收稿日期:20220930 修订日期:20221118本刊网址在线期
8、刊:http:/ 冬(1980),男,河北秦皇岛人,副教授,博士,从事智能化施工装备研究,E-mail:第 3 期陈贵亮,等:基于人体动力学分析的下肢外骨骼助力设计及机构优化and the stiffness of virtual torsion spring was optimized by particle swarm optimization to obtain the optimal value with the goal of minimum metabolizable energy.Based on this,the design scheme of hip joint assis
9、ted exoskeleton mechanism was proposed,and the difference between the auxiliary torque of the mechanism and the virtual torsion spring torque was minimized as the goal to optimize,and the optimal values of the tension spring stiffness and the size of each connecting rod were obtained as the design p
10、arameters of the exoskeleton mechanism.At the same time,the prototype of hip joint assisted exoskeleton was made and the experiment of assisted walking was carried out.The results showed that the metabolic energy of human body was significantly reduced when wearing the assisted exoskeleton.The resea
11、rch method can provide reference for the design and analysis of other lower limb exoskeletons.Key words:assisted exoskeleton;human dynamics;human modeling;motion assistance;Hill muscle model据统计,现代人平均每天约行走一万步,一生中约行走上亿步1。人体双足行走时包含非常复杂的肌肉-骨骼-神经系统运动2-3,其外在运动形式体现为自然的摆臂动作和类倒立摆4的腿部动作,2种动作间的相互协调使行走成为一种比较省能的
12、运动形式。这个特点使得行走成为人类日常运动的主要形式,研究其助力方式对提高人体活动能力具有重要意义。髋关节和踝关节是为行走提供动力的主要部位。髋关节周围肌肉厚壮粗大,分布着众多双关节肌群,如股二头肌长头、股直肌和髂腰肌等,可进行跨关节的能量转移,对髋、膝、踝关节均能提供动力。从做功和能量代谢的角度来看,行走过程中髋关节所做的功为42%,大于踝关节的41%;髋关节的代谢能为45%,大于踝关节的32%5-6。由此可见,髋关节肌群的作用要大于踝关节肌群。鉴于髋关节在行走过程中的重要作用,许多研究团队对髋关节助力外骨骼进行了研究。德兰黑大学的Barazesh等7设计的髋关节被动外骨骼通过利用与腘绳肌平
13、行的弹性单元储存和释放能量的方法来对伸髋肌群助力,仿真结果表明助力后代谢能下降了10.0%,经实验验证穿戴外骨骼比不穿戴时代谢能下降8.9%。苏黎世联邦理工学院的Haufe等8设计了一款髋关节被动助力外骨骼,其弹簧装置在步态周期内储存和释放能量,从而降低代谢能,实验结果表明:髋关节代谢功率没有增加,踝关节的腓肠肌与比目鱼肌的激活程度降低了28%。澳大利亚亚科廷大学的Shen等9通过MATLAB软件和OpenSim软件的联合仿真,在髋、膝、踝关节处分别添加刚度为4.15,7.35,8.20 kN/m的弹簧,使得代谢能分别降低37.63%,4.85%,6.38%。上海理工大学康复研究院的胡冰山等1
14、0设计了一款基于凸轮机构的髋关节变刚度储能外骨骼,并利用OpenSim软件分析了外骨骼刚度对代谢能的影响,结果表明,当刚度为171.9 Nm/rad时,代谢能降低效果最佳,降低了9%。通过分析发现,多数学者在研究下肢外骨骼时仅考虑了对关节力矩的分析,而忽略了对肌肉-肌腱运动代谢能的分析。运动代谢能是评价下肢外骨骼助力效能的重要指标,若在设计阶段就考虑代谢能,则对助力设计的益处极大,但这很难以常用运动学、动力学分析方法来实现。首先,人体运动机械能与代谢能之间的映射关系较为复杂;其次,跨关节肌肉和弹性肌腱的存在,使得能量可在关节之间转移11。因此,通过逆动力学求解得到的关节机械功可能会出现关节处输
15、出的功与关节处肌肉所做的功不相等的情况。人体代谢能消耗模型须根据肌肉-肌腱-骨骼特性建立,针对该问题,笔者提出基于Anybody软件与Hill肌肉模型建立髋关节肌肉-肌腱-骨骼简化模型,并对人体行走过程中髋关节的能耗进行分析,以此确定较好的助力方法和助力外骨骼机构设计方案。同时,通过建立人体-外骨骼一体化模型,对被动助力外骨骼机构的设计参数进行优化,并通过行走实验来验证所构建简化模型的正确性、外骨骼机构的助力效果以及研究方法的可行性,旨在为运动助力外骨骼的开发提供一种基于人体动力学分析和代谢能优化的研究方法。1 行走助力方案的确定 1.1行走步态力学仿真根据人体解剖学知识,与矢状面内行走相关的
16、下肢骨骼肌肉可分为伸展肌群和屈曲肌群。髋关节的伸展肌群主要由腘绳肌(包括半腱肌、半膜肌和股二头肌,以股二头肌为主)和臀大肌组成,其主要为膝关节屈曲和髋关节伸展提供动力,并保持膝关节的稳定性,是防止胫骨过度屈曲和膝关节过度伸展的重要动态稳定结构;屈曲肌群主要由髂腰肌和股前肌群(主要包括股直肌和缝匠肌,称为股匠肌群)组成,用于步态周期中支撑相到摆动相的过 363工程设计学报第 30 卷 渡区间的屈髋抬腿。以Anybody软件对1.5 m/s正常步态下的行走实验数据进行运动学、动力学仿真模拟。人体行走时单个步态周期的划分如图1所示,单个步态周期内髋关节的动力学仿真结果如图2所示。与以往行走步态研究文
17、章中的结果相比,肌肉长度、肌肉激活程度、关节角度和关节力矩等数据的变化基本相符12-13。1.2行走助力对象的确定髋关节肌肉是支持行走运动的主要肌群。据研究,在行走过程中,踝关节力矩最大,但其部分能量由髋关节的跨关节肌群提供。同时,在以往研究中发现,仅对髋关节助力时,膝关节和踝关节的肌肉激活程度明显下降14;与踝关节肌肉相比,髋关节肌肉-肌腱的刚性明显较大,即顺应度较低15。因此,对踝关节的助力大部分仅作用于腿部而不是被内部肌腱吸收,故对髋关节助力效果更佳。由图2可知,髋关节的伸展、屈曲肌群在单个完整的步态周期内交替发力。以股匠肌、髂腰肌为主的屈髋肌群的发力主要集中在步态周期的摆动相阶段,屈曲
18、阶段髋关节角度为负。以腘绳肌、臀大肌为主的伸髋肌群的发力阶段分为两部分:在支撑相初期做正功加速伸髋,在摆动相做负功减速屈髋,从而完成支撑相到摆动相的抬腿迈步,伸展阶段髋关节角度为正。助力决策的关键在于助力肌群的选择。分析图2可知:1)总体来看,伸髋肌群的总肌力与屈髋肌群相近,但伸髋肌群的功率峰值较大;2)从肌力来看,伸髋肌群的肌力曲线与关节角度具有更高的相关度,在整个步态周期中呈接近对称的形式,有利于被动助力外骨骼的布置;3)人体行走时的动力来源于足底蹬地获得的地面反力,而蹬地动作是通过伸展肌群发力使关节伸展来实现的。综上,若对髋关节伸展肌群助力,则可以加强前行动力或减小动力肌肉的负担,从而提
19、高行走效率。因此,确定以伸髋肌群为助力对象,通过在髋关节处对目标肌群施加外辅助力矩来实现助力,根据髋关节代谢能最低原理确定助力强度。2 髋关节肌肉-肌腱-骨骼模型的建立 2.1Hill肌肉模型图3所示为经典的Hill肌肉模型16,该模型将肌肉简化为3组弹性元素相结合的收缩单元,包括串联主动收缩单元(contractile element,CE)、非线性串联弹性单元(series elastic element,SEE)和并联图1单个步态周期划分Fig.1Division of a single gait cycle图2单个步态周期内髋关节的动力学仿真曲线Fig.2Dynamics simula
20、tion curves of hip joint during a single gait cycle 364第 3 期陈贵亮,等:基于人体动力学分析的下肢外骨骼助力设计及机构优化弹性单元(parallel elastic element,PEE),分别对应肌肉、肌腱与肌肉周围的结缔组织。虽然Hill肌肉模型没有直接模拟肌肉收缩的微观机制,但可以很好地再现肌肉的许多特性,被广泛应用于人体下肢运动模型的构建。图3中:Lmt为肌肉-肌腱单元总长度,Lt为肌腱单元长度,Lm为肌肉单元长度;为羽状角,其大小决定了肌肉经肌腱作用于骨骼上力的大小;Ft为肌腱力。考虑到个体差异,对Hill肌肉模型的参数进行
21、归 一 化 处 理:Lm=Lm/Lm0、vm=vm/vmax、Lt=(Lt-Lt0)/Lt0。其中:Lm、vm和Lt分别为归一化处理后肌肉单元的长度、收缩速度和肌腱单元的长度,Lm0为肌肉单元在达到最大等距力Fmax时的长度,即最佳肌肉长度,vm、vmax为肌肉的收缩速度和最大收缩速度,Lt0为肌腱松弛长度。由图3可知,肌肉-肌腱单元总长度Lmt等于肌肉单元长度Lm和肌腱单元长度Lt之和,即:Lmt=Lt+Lm=Lt+Lm cos(1)三元素之间力的关系为:FMTU=FM cos=(Fm+Fc)cos=Ft(2)式中:FMTU为总肌力;FM为肌肉单元及其周围结缔组织的收缩力。肌肉单元及其周围结
22、缔组织的力长度关系分别如下:Fm=Fmax a fm(vm)fm(Lm)(3)Fc=Fmax e5()Lm-1(4)式中:fm(vm)、fm(Lm)分别为肌肉收缩速度影响因子和肌肉长度影响因子的归一化值5,17;a为肌肉的激活程度。结合上述公式,利用式(5)可求得肌肉运动的代谢功率Pmet:Pmet=Fmax a vmax fmet(vm)(5)式中:fmet()vm为代谢能影响因子。利用Anybody软件仿真得到髋关节主要作用肌肉的基本参数,如表1所示。表中:PCSA(physiological cross-section area)表示肌肉生理横截面积。2.2髋关节肌肉-肌腱-骨骼建模原则
23、为简化模型,在髋关节肌肉-肌腱-骨骼建模时作如下约定:1)仅研究人体下肢行走过程中在矢状面内的运动。根据上文仿真结果,将髋关节运动视作由几部分主要肌肉(伸展肌群:臀大肌、股二头肌长头、股二头肌短头、半腱肌、半膜肌;屈曲肌群:股直肌、缝匠肌、髂腰肌)共同作用的结果18,并将其简化为4个肌群:臀大肌群、腘绳肌群、髂腰肌群和股匠肌群。2)基于Hill肌肉模型建立肌肉-肌腱-骨骼简化模型。3)以肌群中最具代表性的肌束等效代替肌群的整体作用。每个肌群由多根肌束共同组成,而各肌束的Hill肌肉模型参数并不统一。为简化计算,选择各肌群中的一根肌束,将其作用力放大后等效代替整个肌群的作用力。2.3肌肉-肌腱-
24、骨骼简化模型为获得下肢行走过程中髋关节各肌群的肌力、激活程度以及肌肉的基本参数,将利用AMTI生物力学测力板与Vicon运动捕捉系统获得的行走实验数据导入Anybody软件中的下肢模型,作为关节驱动参数,以对行走过程进行仿真分析。建立的髋关节肌肉-肌腱-骨骼简化模型如图4所示。将表1数据代入2.1小节中的数学模型,可分别计算得到各肌群的肌力和代谢能等,但各肌群的力臂不能直接计算得到,需要通过优化计算获得。2.4肌群等效肌束放大系数及作用力臂在Anybody软件的下肢模型中,以等效肌束替代肌群。例如:在计算腘绳肌群肌力时,选择肌力与肌群总肌力变化趋势和大小相近的股二头肌长头作为等效肌束,放大后的
25、等效肌力按式(6)计算。设臀大肌群、腘绳肌群、髂腰肌群、股匠肌群的等效肌束的放大系数分别为y1、y2、y3、y4,利用MATLAB图3Hill肌肉模型Fig.3Hill muscle model表1髋关节肌肉的基本参数Table 1Basic parameters of hip joint muscles肌肉股匠肌臀大肌腘绳肌髂腰肌Fmax/N1 385.452 0716.419 32 607.622 5565.556 3Lm0/cm8.973 717.329 49.775 35.278 0Lt0/cm33.292 06.945 335.174 29.742 9PCSA/cm215.393 9
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