史傳棋,韓亞麗,常佳辰,孫 翰,金壯壯,朱文亮

(南京工程學院機械工程學院, 江蘇 南京 211167)

人體肌肉骨骼仿真系統(tǒng)主要用于幫助運動障礙患者、偏癱患者康復機器人設計過程中的安全性舒適性驗證和生物力學分析[1-8].本文針對人體肌肉骨骼系統(tǒng)自由度多而復雜、外骨骼與人體關(guān)節(jié)動態(tài)匹配度不高、研發(fā)周期長、康復指標不完善等問題[8],通過搭建基于OpenSim的人機耦合模型,以完全無創(chuàng)的方式研究受試者個體在康復過程中的肌肉能量募集和生物力學變化,從而達到有效提高康復醫(yī)療機器人研發(fā)迭代效率和為下肢外骨骼的優(yōu)化設計提供理論支撐的目的.

盡管計算機輔助建模技術(shù)可以在構(gòu)建外骨骼物理原型時評估外骨骼與人體骨骼模型間的相互作用力,但人體肌肉骨骼模型的動力學冗余使得建立準確的人機接觸和人機協(xié)同運動模型十分具有挑戰(zhàn)性.國外學者利用OpenSim探究了不同條件下外骨骼機器人與人體肌肉骨骼模型產(chǎn)生的相互作用關(guān)系[9-11];國內(nèi)學者對OpenSim建模理論和過程進行了詳細介紹[12];李琳杰等利用OpenSim生物力學仿真方法建立了下肢肌肉骨骼模型,并采用基于動態(tài)優(yōu)化的方法對跟腱負荷和肌肉跟腱的拉伸進行生物力學分析[13];周瑞創(chuàng)建了行走與奔跑狀態(tài)下的人機耦合模型,并通過肌肉計算工具分析了各肌肉力、能量代謝變化及其全部肌肉總能量變化,驗證下肢外骨骼機器人對人體的作用[14].

本文設計模塊化下肢康復外骨骼,并基于Matlab和OpenSim搭建人體肌肉骨骼穿戴下肢康復外骨骼的耦合模型[15];通過分析工具輸出對比穿戴外骨骼前后人體肌肉力、肌肉激活度的變化和人機關(guān)節(jié)的扭矩變化,以更好地理解肌肉骨骼系統(tǒng)與外骨骼接觸時的生物力學行為.

1 下肢康復外骨骼模型設計

下肢康復外骨骼設計用于輔助髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)屈曲伸展,設計目的是保持設備的大部分重量在近端髖關(guān)節(jié)周圍,同時向遠端膝關(guān)節(jié)提供所需的扭矩.為滿足擬人化設計需求,參照《中國成年人人體尺寸》標準[16],選取女性身高尺寸的第5百分位數(shù)和男性身高尺寸的第95百分位數(shù)作為外骨骼各部件的尺寸設計參照,得到外骨骼機器人的髖關(guān)節(jié)尺寸調(diào)節(jié)范圍在282～374 mm,大腿尺寸調(diào)節(jié)范圍在318～381 mm,小腿調(diào)節(jié)范圍在340～385 mm.考慮所設計的機器人結(jié)構(gòu)需滿足便攜性和易穿戴的特性,其主要支撐桿件和伸縮模塊選擇強度高、密度小、抗腐蝕的T6061鋁合金材料.圖1為經(jīng)過簡化以強調(diào)主要設計部件的外骨骼整機模型.

圖1 下肢康復外骨骼模型(mm)

2 人機耦合模型搭建

在Matlab與OpenSim的聯(lián)合仿真環(huán)境中搭建人體-外骨骼耦合模型(見圖2).通過OpenSim API庫中的函數(shù)和類建立Matlab中調(diào)用OpenSim類庫的通信鏈接;使用Matlab腳本將下肢康復外骨骼零件的物理參數(shù)(質(zhì)量和慣性)在Matlab中進行定義;由Matlab加載OpenSim提供的人體模型;通過創(chuàng)建合適的關(guān)節(jié)將每個外骨骼部分按次序依次添加到人體骨骼模型中.

人體模型通過彈簧阻尼器與外骨骼相互作用,所有的人機相互作用點上都添加彈簧-阻尼元件和相互作用力、力矩傳感器.每條腿總共有3個動力自由度(髖關(guān)節(jié)屈曲、伸展,膝關(guān)節(jié)屈曲、伸展和踝關(guān)節(jié)跖屈、背屈)和2個被動關(guān)節(jié)(髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)和踝關(guān)節(jié)內(nèi)收、外展).為簡單起見,仿真模擬只考慮外骨骼矢狀面的運動.

彈簧-阻尼元件(Bushingforce)有3個平動與旋轉(zhuǎn)自由度.在受約束的情況下,Bushingforce可在穿戴外骨骼的特定位置點上產(chǎn)生6個自由度的平移、旋轉(zhuǎn)約束力,并約束2個不同的對象于一點.圖2為人體外骨骼協(xié)同運動仿真耦合模型和Bushingforce添加的位置.

圖2 人體-外骨骼耦合模型

在OpenSim仿真流程中,對圖1所示的外骨骼模型,首先需要通過SimTrack核心將肌肉骨骼模型進行運動學標定縮放,以獲得匹配目標對象生理尺寸的高精度運動學數(shù)據(jù);然后將反解的目標對象關(guān)節(jié)的解算數(shù)據(jù)與采集的試驗數(shù)據(jù)進行對比修正,獲得較為精確的人體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù);通過殘差縮減算法(residual reduction algorithm,RRA)降低正向運動學的計算誤差[17],以保證穩(wěn)健行走狀態(tài)下的肌肉骨骼模型能夠成功解算并輸出正確結(jié)果.為量化RRA輸出結(jié)果的準確度,本文根據(jù)圖3所示的用于評估結(jié)果的閾值范圍表[18],將耦合模型殘差縮減結(jié)果進行對比參照,殘余力與殘余力矩隨時間的變化曲線如圖4所示.

由圖4可見,肌肉骨骼模型正向運動學輸出的殘余力Fy的變化區(qū)間與殘余力矩My的變化區(qū)間均在“GOOD” 閾值評估范圍內(nèi),殘差縮減輸出的結(jié)果和耦合模型質(zhì)量能夠評價為良好,耦合模型的精準性能夠支撐最終仿真結(jié)果.

圖3 人機耦合模型RRA結(jié)果的閾值評估范圍

(a) 殘余力

(b) 殘余力矩

3 下肢肌肉特性變化研究

3.1 人體下肢逆運動學仿真

降低殘余力和殘余力矩對運動學計算的影響后,為計算穿戴外骨骼行走過程中的肌力變化及能量消耗,人機耦合模型需要再次通過SimTrack的肌肉控制計算算法(CMC)來規(guī)劃運動過程中各個肌肉的激活值,并進行激活值的閉環(huán)伺服控制以保證仿真過程中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角完美跟蹤RRA算法后的輸出.每一時刻人體肌肉所產(chǎn)生的肌肉力量主要受激活值A(chǔ)、肌肉單元標準化長度L和肌肉單元標準化速度V這3個變量影響.肌肉骨骼模型的關(guān)節(jié)扭矩變化一方面反映了人機耦合模型的工作狀態(tài),另一方面宏觀反映了多塊肌肉節(jié)律性收縮以驅(qū)動骨骼繞關(guān)節(jié)協(xié)同運動的情況.

如圖5所示,肌肉骨骼模型右支撐腿的髖膝關(guān)節(jié)扭矩受外骨骼重力的影響幅度變化較大,腿部屈伸肌群、雙關(guān)節(jié)肌肉的肌肉激活程度大幅提高,關(guān)節(jié)扭矩在肌群作用下明顯呈現(xiàn)增長趨勢.此時,右髖關(guān)節(jié)伸展肌和膝關(guān)節(jié)屈曲肌節(jié)律性收縮產(chǎn)生瞬時肌力驅(qū)動骨骼繞髖膝關(guān)節(jié)運動,產(chǎn)生力矩以維持步態(tài)過程中的動態(tài)平衡.左擺動腿在外骨骼被動狀態(tài)下各髖膝關(guān)節(jié)的輸出扭矩均降低約50%.左右踝關(guān)節(jié)的輸出扭矩在運動過程中均有小幅度的增加.

圖5 耦合模型中關(guān)節(jié)扭矩變化曲線

3.2 耦合模型肌肉活動特性研究

肌肉激活的變化對于下肢肌肉力量在穿戴外骨骼狀態(tài)下的變化具有指導意義,且每一時刻人體肌肉所產(chǎn)生的肌肉力量都由激活值、肌肉單元標準化長度和肌肉單元標準化速度3個變量共同決定[19].本文選擇3塊右腿前側(cè)單關(guān)節(jié)肌肉(最右列腰大肌、股外側(cè)肌和脛骨前肌)、3塊雙關(guān)節(jié)肌肉(中間列股直肌、股外側(cè)肌和腓腸肌內(nèi)側(cè)頭)、3塊腿后側(cè)單關(guān)節(jié)肌肉(最左列臀大肌、股二頭肌短頭和比目魚肌)作為主要分析對象,如圖6所示.

圖6 右大腿肌肉激活曲線

在SimTrack的肌肉控制計算運動前期過程中,兩股伸膝肌、右股外側(cè)肌與股直肌通過收縮產(chǎn)生伸展肌力,驅(qū)動膝關(guān)節(jié)伸展以維持下肢平衡.步態(tài)周期中期到后期,股直肌以其相對較高的產(chǎn)力能力在肌肉骨骼模型受到外部運動阻礙作用時激活大幅度增長超過50%并與股外側(cè)肌協(xié)同輔助膝關(guān)節(jié)維持運動平衡.圖7中股外側(cè)肌肌肉力量的變化曲線直觀地反映了兩股伸膝肌在運動過程中發(fā)揮的作用,在只作為輔助運動肌肉.股二頭肌短頭與半膜肌位于大腿后側(cè),同屬腘繩肌肌群.股二頭肌短頭于前期膝關(guān)節(jié)伸展階段肌肉激活度呈現(xiàn)下降趨勢,此時右髖關(guān)節(jié)伸展,半膜肌肌肉激活增長明顯,肌力增漲速度加快.步態(tài)周期后期,股二頭肌短頭與半膜肌共同驅(qū)動膝關(guān)節(jié)屈曲,兩股肌肉激活度顯著提高.此時股二頭肌短頭的肌肉激活度增長明顯且肌力募集速度加快.整個運動過程中,股直肌與半膜肌肌力增長趨勢近乎一致.臀大肌肌群在前期髖關(guān)節(jié)屈曲階段肌力下降速度較快,后期髖關(guān)節(jié)伸展,臀大肌肌肉激活度顯著提高,肌力下降速度減慢.腰大肌與髂肌一起合稱為髂腰肌,與股二頭肌、半膜肌一起起到屈曲髖關(guān)節(jié)的作用,并作為主要發(fā)力肌肉維持上身的平衡穩(wěn)定.

圖7 右大腿肌力曲線

分析圖6、圖7可知,人機耦合模型整體肌肉力量在穿戴外骨骼的影響下都有不同程度的增長或降低,但右支撐腿整體肌肉力變化趨勢與正常情況下相似.由于外骨骼限制了人體髖關(guān)節(jié)的外展內(nèi)收和外旋內(nèi)旋活動,大腿上臀大肌、股直肌、腰大肌和半膜肌受外骨骼影響最明顯.在步態(tài)周期后期,右腓腸肌內(nèi)側(cè)頭盡管不再負責產(chǎn)生踝關(guān)節(jié)跖屈力矩,但為維持重心穩(wěn)定,它仍然被提高激活度以輔助人體膝關(guān)節(jié)屈曲.

基于以上分析可知,穿戴外骨骼且無有效主動輔助情況下,基于OpenSim搭建的肌肉骨骼模型的整體肌肉力量增長超過50%.相較于肌肉骨骼模型的直接負重仿真,人機耦合模型的仿真更加直觀地反映出當前外骨骼的可穿戴性能和迭代優(yōu)化方向.

4 結(jié)語

本文針對目前外骨骼機器人迭代周期長、無法直觀分析其對人體肌肉骨骼影響的問題,進行穿戴無輔助下肢外骨骼在行走過程中對人體生理影響的研究.通過OpenSim搭建包含下肢外骨骼在內(nèi)的肌肉骨骼模型,并從肌肉激活、肌肉代謝和肌力變化角度分析了無輔助狀態(tài)下穿戴外骨骼行走對肌肉骨骼模型的影響.分析結(jié)果說明,由于外骨骼的質(zhì)量慣性以及人機耦合模型的約束限制,肌肉骨骼模型行走主要肌群的平均活動水平顯著增加、整體肌肉力量大幅增長.通過對人機耦合模型的仿真研究,為下肢外骨骼的優(yōu)化設計提供了理論支撐.后續(xù)將基于Matlab和OpenSim研究不同康復場景下外骨骼對肌肉骨骼模型的人機交互影響以及外骨骼控制器的設計以及優(yōu)化.