人體下肢外骨骼機器人的步態(tài)研究現(xiàn)狀

王 楠，王建華，周民偉

綜述

人體下肢外骨骼機器人的步態(tài)研究現(xiàn)狀

王 楠，王建華，周民偉

外骨骼機器人是將人的智慧與機器的機械動力裝置相結合的一種機器人，不僅可以為操作者提供保護、身體支撐等功能，還可以在操作者的控制下完成一定的功能和任務，應用前景巨大。文中闡述人體下肢外骨骼機器人下肢外骨骼實現(xiàn)行走應具備的關節(jié)及其活動度，介紹下肢外骨骼機器人步態(tài)控制的基礎——正常步態(tài)分析，詳細論述了目前控制下肢外骨骼機器人行走及步態(tài)穩(wěn)定性的主要方法。

下肢；機器人；外骨骼；步態(tài)

外骨骼（exoskeleton）一詞來源于生物學，是指為生物提供保護和支持的堅硬的外部結構[1]，如甲殼類和昆蟲等節(jié)肢動物的外骨骼系統(tǒng)。人體外骨骼機器人是將人的智慧與機器的機械動力裝置結合為一體的機器人[2]。美國于2000年開展了“增強人體機能的外骨骼”（Exoskeletons for Human Performance Augmentation，EHPA）研究項目[3-4]，自此，外骨骼機器人的開發(fā)與應用逐漸進入人們的視線，成為關注的焦點。由于外骨骼機器人不僅為操作者提供了諸如保護、身體支撐等功能，還能在操作者的控制下完成一定的功能和任務，因此在下肢功能障礙患者的步行功能鍛煉過程中的應用逐漸增多[5-7]；此外，其在單兵作戰(zhàn)裝備研發(fā)等軍事領域也獲得了廣泛應用[8-9]。

對正常人體行走時的步態(tài)分析是人類下肢外骨骼設計的一個重要研究方面[10-11]。由于人體下肢外骨骼需要輔助人體的承載并跟隨人體一同活動，故對外骨骼的設計必須考慮外骨骼與操作者之間動作的協(xié)調性和一致性，且應與人體下肢具有相同的關節(jié)活動度。因此，分析正常人體下肢活動特點及行走時的步態(tài)是設計下肢外骨骼并實現(xiàn)行走的基礎。在此基礎上設計下肢外骨骼應具備的關節(jié)及關節(jié)活動度，然后通過人機互動操作外骨骼，并對外骨骼機器人步態(tài)的穩(wěn)定性進行控制，從而完成外骨骼機器人系統(tǒng)的仿生設計。

1 關節(jié)及其活動度

正常人體下肢的主要大關節(jié)包括髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)，其余和行走相關的關節(jié)包括膝部的髕股關節(jié)、足部的跖趾關節(jié)和趾骨間關節(jié)等。關節(jié)的運動主要是沿著3個相互垂直的軸所進行的運動，包括沿冠狀軸的前屈和后伸運動、沿矢狀軸的內收-外展運動以及沿垂直軸的內旋-外旋運動等，而關節(jié)活動度就是指關節(jié)運動時所通過的運動弧。正常的關節(jié)活動范圍是正常運動必不可少的前提條件之一。髖關節(jié)正?；顒佣葹椋呵?30°～140°，后伸10°～30°，內收20°～30°，外展45°～60°，內旋30°～45°，外旋40°～50°[12]。膝關節(jié)正?；顒佣葹榍?20°～150°，一般伸直0°，有時過伸狀態(tài)約為5°～10°，當膝關節(jié)屈曲時，股骨兩側髁后部進入關節(jié)窩，嵌鎖因素解除，側副韌帶松弛，膝關節(jié)可繞垂直軸作輕度的旋轉運動，內旋外旋各10°左右[13]。踝關節(jié)正常活動度為背伸約35°，趾屈約45°，在跖屈時，足可做一定范圍的側方運動，約30°[14]。

為了簡化研究過程，降低分析難度，根據正常人體行走時下肢運動的習慣，設計的下肢外骨骼機器人至少應包括髖、膝、踝關節(jié)[15]。從生理角度分析，髖、膝、踝關節(jié)對于穩(wěn)定有效的行走來說是必不可少的，髖關節(jié)主要用于擺動雙腿，實現(xiàn)邁步并使上肢軀體前傾或者后仰，以便在步行過程中起到輔助平衡的作用；膝關節(jié)主要用來調整重心的高度以及擺動腿的著地高度，使之與地面的狀態(tài)相適應；而踝關節(jié)則用來與髖關節(jié)相配合以實現(xiàn)支撐腿和上軀體的移動，并調整腳掌與地面的接觸狀態(tài)，從而完成步行過程[16]。

下肢外骨骼機器人應具備的自由度和活動度需要根據正常人體下肢關節(jié)的功能來設計[17-18]。髖關節(jié)主要實現(xiàn)大腿的大角度運動、腰部的轉動及軀干的彎曲，需根據髖關節(jié)活動度設置屈伸、收展、旋轉3個自由度；膝關節(jié)實現(xiàn)小腿的大角度擺動，需根據膝關節(jié)活動度設置屈伸1個自由度，膝關節(jié)旋轉可忽略；踝關節(jié)實現(xiàn)足部圍繞踝關節(jié)的上下大角度屈伸及左右小角度旋轉，需要設置2個自由度。但出于安全因素方面的考慮，外骨骼機器人的關節(jié)活動度應略小于正常人體的關節(jié)活動度。

2 正常步態(tài)分析

正常步態(tài)即正常人體采用最自然、最舒適的姿態(tài)行進時的步態(tài)。它應具有3個特點：身體平穩(wěn)、步長適當、耗能最少[19]。Grabiner等[20]認為，正常的步態(tài)必須具備以下條件：支撐期穩(wěn)定性好，擺動期足部放松，有足夠的步長，膝關節(jié)在支撐期吸收震蕩且積蓄能量，在擺動期能夠帶動小腿和足部運動。

步態(tài)分析是外骨骼機器人設計中不可或缺的技術環(huán)節(jié)[21-22]，它通過生物力學和運動學手段，揭示正常步態(tài)的關鍵環(huán)節(jié)和影響因素，從而有助于外骨骼機器人的步態(tài)機理研究、步態(tài)控制及行走穩(wěn)定性控制方法的研究等。

在人體正常行走過程中，1個步態(tài)周期是指從一側腳跟著地開始到該腳跟再次著地。通過對正常人體行走步態(tài)的研究，1個步態(tài)周期可抽象出3個典型步態(tài)時相：單支撐相、雙支撐相及擺動相。Chu等[23]通過正常步態(tài)分析得出不同步態(tài)時相時髖、膝、踝關節(jié)角度及扭矩的動態(tài)變化，為該研究小組設計外骨骼機器人提供參考。趙凌燕等[24]以健康男性青年為對象，對人在行走過程中髖關節(jié)的旋轉運動進行實驗研究，采用擴展廣義Sigmoid型函數(shù)的方法進行模型化描述，結果表明，身高和行走速度對髖關節(jié)運動幅度有顯著性影響。王西十等[25]基于膝關節(jié)的解剖特征，得出膝關節(jié)在矢狀面內運動時的運動協(xié)調約束方程，為建立人體下肢生物動力模型提供理論依據。趙彥峻等[26]在對外骨骼機器人進行前期設計及后期仿真過程中，根據行走步態(tài)各個時相不同的運動特點，采用多體系統(tǒng)動力學方法（如拉格朗日方程）分別對不同的時相建立不同的運動學和動力學的數(shù)學模型，以此為基礎成功設計了具有輔助士兵承載能力的人機一體化下肢外骨骼。

3 外骨骼機器人步態(tài)控制

外骨骼機器人具有多關節(jié)、多驅動器和多傳感器的特點，它與其它機器人最大的區(qū)別在于，其與操作者之間形成一個人機耦合系統(tǒng)，操作者處于系統(tǒng)回路中，與外骨骼有物理接觸[27-28]。因此，步態(tài)控制及穩(wěn)定性控制的研究成為外骨骼機器人仿生設計中最重要的一環(huán)。

對于步態(tài)控制，目前主要有操作者自行控制、肌電傳感器控制[29]、靈敏度放大控制[30]等方法；對于步態(tài)穩(wěn)定性控制，則主要有數(shù)字信號處理（digital signal processing，DSP）系統(tǒng)控制、模糊比例積分微分（proportion integration differentiation，PID）控制[31]、零力矩（zero moment point，ZMP）控制[32]等。

3.1 步態(tài)控制

3.1.1 操作者自行控制 對于下肢功能完全喪失的患者，可以采用上肢的活動來控制外骨骼機器人，從而獲得下肢功能。歸麗華等[33]認為，上肢和下肢具有相似的運動軌跡，只要測量出上肢的運動，就可以通過機械裝置換算為下肢的運動。作者借助這種上臂運動可控制外骨骼同時運動的方法，成功研制出能量輔助骨骼服NAEIES系統(tǒng)。Johnson等[34]設計一種運動輔助裝置，在癱瘓、截肢、下肢麻痹患者的手部安裝開關，將不同的手指運動對應下肢相應關節(jié)的活動，達到一對一映射，從而獲得下肢行走功能。這類控制方式使操作者可以自行控制下肢外骨骼機器人的活動，充分利用了人的智能，但缺點也是顯而易見的，如操作者在行走時上肢不能進行其他活動等。

3.1.2 肌電傳感器控制 對于下肢仍有部分功能的患者，或需增強正常機能的士兵等，可采用肌電傳感器控制，在操作者下肢皮膚表面安裝傳感器，通過提取肌電圖（electromyography，EMG）信號、分析EMG信號與肌肉力[35]、關節(jié)扭矩[36]的關系、提取運動模式特征、識別動作模式等過程，進而達到控制外骨骼機器人的目的。以此方法為代表的外骨骼機器人為日本的HAL（hybird assistive leg）-3[37-38]。其缺點主要是傳感器貼在肌肉表面，劇烈活動時易脫落，不適合軍事用途；且每次使用均需貼傳感器，較為繁瑣；此方法也不適用于下肢功能完全喪失的患者。

3.1.3 靈敏度放大控制 美國加州大學伯克利分校研制的 BLEEX（Berkeley lower extremity exoskeleton）[39-40]采用靈敏度放大控制（sensitivity amplification control，SAC）方法，將人作用在外骨骼機器人上的外力定義為靈敏度函數(shù)，然后最大化該函數(shù)，以便實現(xiàn)用較小的力控制外骨骼運動的目的。此法不需在人體上安裝傳感器，僅通過安裝在骨骼服上的傳感器來實現(xiàn)控制，使操作者感受到的外力降低，舒適度增強。其缺點主要是難以建立精確的數(shù)學模型[41]。

3.2 步態(tài)穩(wěn)定性控制

3.2.1 DSP系統(tǒng)控制 基于DSP系統(tǒng)的步態(tài)控制方法分為步態(tài)數(shù)據離散化和對每個周期的步態(tài)角度誤差補償兩個過程。首先將步態(tài)數(shù)據離散化為若干個離散時間，即將1個步態(tài)周期T分為若干個離散時間Δt，由規(guī)劃的步態(tài)周期中的關節(jié)角度值與離散的Δt時間以及執(zhí)行機構的幾何關系計算出執(zhí)行機構對應的離散長度值，最終得到驅動電機的線性參數(shù)。由于電機傳動過程和機器人執(zhí)行過程中將出現(xiàn)不可避免的誤差，因此需進行誤差補償，以實時減少因誤差帶來的實際步態(tài)與理論步態(tài)的偏差。鐘翠華等[42]采用DSP控制方法設計的助行外骨骼機器人已通過樣機試驗驗證，獲得了較好結果。

3.2.2 模糊PID控制 PID控制即是根據系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量而進行的控制[43-45]。徐建安等[46]提出一種基于參數(shù)分配器的模糊PID運動控制系統(tǒng)，并在自行研制的移動機器人上進行運動控制和抗干擾實驗研究，結果表明，該方法彌補了常規(guī)PID運動控制系統(tǒng)對非線性系統(tǒng)難以適應的不足，既縮短了動態(tài)調整時間、減小了穩(wěn)態(tài)誤差，又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2.3 ZMP控制 ZMP理論為步行穩(wěn)定性的經典理論，ZMP是地面上的一點，外骨骼機器人所受所有外力的力矩水平分量為0，也就是說整體對于這一點的前向、側向力矩為0。機器人在動態(tài)行走時，若ZMP落在雙腳之間的支撐區(qū)域內，則其運動是穩(wěn)定的。理想狀況下，實際ZMP與期望ZMP重合，且始終位于支撐區(qū)域內[47]。但由于地面狀況、機械精度等的差異，實際ZMP與期望ZMP往往不在同一點，從而使外骨骼機器人步態(tài)不穩(wěn)定，此時需要操作者或機器智能調整步態(tài)，使之回歸穩(wěn)定。陳占伏等[48]在機械系統(tǒng)仿真分析軟件（automatic dynamic analysis of mechanical system，ADAMS）中建立外骨骼的虛擬樣機模型，并對外骨骼行走模型進行仿真，通過對比仿真結果驗證了外骨骼模型處于ZMP意義下的動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結語

外骨骼機器人在康復醫(yī)學、單兵作戰(zhàn)裝備等方面應用前景巨大。盡管目前相關研究中尚有部分難題未能解決[49-51]，如外骨骼機器人對不平整地面的適應性有待提高，能源消耗大導致整個系統(tǒng)體積龐大且使用時間短暫等等。但隨著數(shù)學、計算機科學的發(fā)展以及核能等新能源技術的不斷進步，相信在不遠的將來，這些課題將會有重大突破。在解決了以上基本問題后，下肢外骨骼機器人下一步將有可能向個性化趨勢發(fā)展（即根據每個使用者行走習慣的不同而不斷進行智能學習），提供個性化運動模式，真正實現(xiàn)人與機器的完美結合。

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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

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.

Extremities;Robotics;Exoskeleton;Gait

R-05，R336

A

1674-666X(2012)01-0062-06

2011-12-30；

2012-02-01）

（本文編輯 白朝暉）

10.3969/j.issn.1674-666X.2012.01.010

廣東省科技計劃項目（2010B010800006），廣州市科技計劃項目（2010J-E311）

510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院華僑科（王楠）；脊柱外科（王建華）；醫(yī)務部（周民偉）

E-mail：115989930@qq.com