一種新型生物融合式腰椎外骨骼的設(shè)計(jì)及評估

杜世珍, 石 萍*,,2, 王道雨, 簡 卓, 喻洪流,2

(1.上海理工大學(xué) 康復(fù)工程與技術(shù)研究所,上海 200093,E-mail:pshi@usst.edu.cn;2.上海康復(fù)器械工程技術(shù)研究中心,上海 200093;3.上海卓道醫(yī)療科技有限公司,上海 201210)

1 背景

康復(fù)外骨骼技術(shù)在康復(fù)醫(yī)療、工業(yè)制造、民用消費(fèi)等領(lǐng)域發(fā)展迅速[1-4]。在康復(fù)醫(yī)療中,外骨骼機(jī)器人能夠替代康復(fù)治療師繁重而重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)[5-6]。開發(fā)輕量化,小巧化的康復(fù)外骨骼機(jī)器人在患者日常生活中的應(yīng)用,將極大地提高康復(fù)訓(xùn)練的效率,其輔助功能還能極大地方便患者的生活。

近年來,各種軀干外骨骼開發(fā)出來用于脊柱的康復(fù)訓(xùn)練和日常助力功能。 Takuya等[7]為了減輕人體下背部在搬運(yùn)貨物時(shí)的負(fù)擔(dān),開發(fā)了一種叫做“肌肉套裝”下背部支撐外骨骼,由連接大腿和腰部的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),以及名為McKibben人工肌肉的彈性執(zhí)行器,空氣壓縮機(jī)等組成,通過彈性執(zhí)行器,為彎腰搬運(yùn)重物的人,提供一定舉起重物的輔助力。文獻(xiàn)[7]通過表面肌電圖,對人體在搬運(yùn)重物時(shí)的肌肉使用率進(jìn)行了評估,驗(yàn)證了“肌肉套裝”下背部支撐外骨骼對人體在搬運(yùn)重物時(shí)具有輔助作用。文獻(xiàn)[8-9]開發(fā)出了一種纜索驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)腰部康復(fù)機(jī)器人,通過一種創(chuàng)新的兩級控制算法對纜索拉力進(jìn)行精確控制,實(shí)現(xiàn)人體腰部康復(fù)訓(xùn)練和助力功能。文獻(xiàn)[10-11]為了減少與負(fù)重相關(guān)的腰部疼痛與損傷的發(fā)生,提出了一種上身可穿戴裝備,通過對人體背部稱為“第二脊柱”的設(shè)計(jì)以及兩個(gè)電纜驅(qū)動(dòng)模塊,調(diào)節(jié)電纜張力能夠?qū)⒓绮康呢?fù)載轉(zhuǎn)移到骨盆,減輕在負(fù)重時(shí)肩部所承受的壓力。文獻(xiàn)[12]提出一種可重構(gòu)脊柱外骨骼,由多個(gè)控制阻力與運(yùn)動(dòng)范圍的聯(lián)軸器組成,能夠?yàn)榕宕髡咛峁┯行У闹闻c增強(qiáng)。上述腰椎外骨骼目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究,目前亟待開發(fā)小型化、輕量化的家庭康復(fù)助力腰椎外骨骼。

腰椎外骨骼與人體之間是協(xié)調(diào)與交互的關(guān)系。作者設(shè)計(jì)了一種生物融合式的腰椎外骨骼,以幫助腰痛患者減輕腰部壓力,并進(jìn)行腰部康復(fù)訓(xùn)練與助力。作者基于上述設(shè)計(jì)進(jìn)行了工程樣機(jī)的研制,樣機(jī)設(shè)計(jì)充分考慮了穿戴的便攜性,美觀性、實(shí)用性的特點(diǎn)。本文結(jié)構(gòu)如下:第二節(jié)中介紹了所提出腰椎外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析;第三節(jié)介紹了腰椎外骨骼控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);第四節(jié)為腰椎外骨骼的樣機(jī)研制,包括樣機(jī)的整體設(shè)計(jì),外觀設(shè)計(jì),控制器設(shè)計(jì);第五節(jié)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了腰椎外骨骼對人體腰部的輔助作用;第六節(jié)進(jìn)行了總結(jié)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

生物融合式康復(fù)機(jī)構(gòu)作為一種新型的機(jī)構(gòu)類型,將剛性的機(jī)械機(jī)構(gòu)與柔性的人體機(jī)構(gòu)結(jié)合,是符合生物運(yùn)動(dòng)方式的剛?cè)狁詈蠙C(jī)構(gòu)[13-15]。本文所述的新型生物融合式腰椎外骨骼機(jī)構(gòu)是符合人體腰部生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式的空間閉環(huán)結(jié)構(gòu),其中,人體骨盆、胸椎節(jié)段等效為機(jī)構(gòu)上、下平臺,脊柱在骨盆與胸椎節(jié)段之間的運(yùn)動(dòng)形式可等效為球面副形式;機(jī)械機(jī)構(gòu)由4個(gè)SPS串聯(lián)機(jī)構(gòu)與人體機(jī)構(gòu)上下平臺連接構(gòu)成的并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成。此時(shí),人機(jī)閉環(huán)可用S/4-SPS表示,人體機(jī)構(gòu)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式,兩端分別與機(jī)械機(jī)構(gòu)相連,腰部的繞矢狀軸,冠狀軸和垂直軸的前屈后伸,左右側(cè)屈以及旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)由并聯(lián)機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)腰部實(shí)現(xiàn),其腰部訓(xùn)練角度由并聯(lián)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輸出位姿決定。

腰椎外骨骼結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,定平臺與驅(qū)動(dòng)支鏈一端的連接點(diǎn)為Ai(i=1,2,3,4),定平臺通過連接點(diǎn)Bi(i=1,2,3,4)與驅(qū)動(dòng)支鏈另一端連接,以定平臺中心P為原點(diǎn)建立定坐標(biāo)系P-xyz,x軸沿A1A2方向,y軸沿A1A4方向,z軸垂直于定平臺方向向上,接著以動(dòng)平臺中心K為原點(diǎn)建立動(dòng)坐標(biāo)系K-xyz,x軸沿B1B2方向,y軸沿B1B4方向,z軸垂直于動(dòng)平臺方向向上。

▲圖1 腰椎外骨骼結(jié)構(gòu)示意圖

通過采用Z-Y-X型歐拉角得到動(dòng)坐標(biāo)系相對于定坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為

(1)

為了求得在不同角度α,β,γ下的驅(qū)動(dòng)支鏈長度Li,根據(jù)封閉環(huán)方法以及旋轉(zhuǎn)矩陣的坐標(biāo)變換,得到驅(qū)動(dòng)支鏈長度矢量:

(2)

變換得到

(3)

其中:Li和AiBi都表示驅(qū)動(dòng)支鏈的矢量,PK表示動(dòng)坐標(biāo)系K-xyz的原點(diǎn)K相對于定坐標(biāo)系P-xyz原點(diǎn)P的位置向量,KBi表示在動(dòng)坐標(biāo)系K-xyz下Bi點(diǎn)相對于動(dòng)坐標(biāo)系K-xyz原點(diǎn)K的位置矢量,PAi表示在定坐標(biāo)系P-xyz下Ai點(diǎn)相對于定坐標(biāo)系P-xyz原點(diǎn)P的位置矢量。因此,驅(qū)動(dòng)支鏈長度為

(4)

▲圖2 腰椎外骨骼結(jié)構(gòu)

參考正常人身體尺寸與人體腰部運(yùn)動(dòng)范圍,腰椎外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

腰椎外骨骼控制系統(tǒng)如圖3所示。

通過腰椎外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng),腰椎外骨骼能夠?qū)ρ祷颊哌M(jìn)行腰部助力與牽引康復(fù)訓(xùn)練。腰椎外骨骼的控制系統(tǒng)主要由人機(jī)交互模塊,通訊模塊,位置傳感器模塊,壓力傳感器模塊,信息處理模塊,主控制模塊,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊七個(gè)模塊組成。

位置傳感器模塊主要由陀螺儀與電動(dòng)推桿內(nèi)部的電位計(jì)組成,陀螺儀位于人體腰部位置,用于采集腰部所處位置的偏航角,橫滾角,俯仰角及其角加速度等姿態(tài)信號,電位計(jì)用于采集電機(jī)所處的位置信號。壓力傳感器模塊由四個(gè)壓力傳感器組成,用于采集腰椎外骨骼在與人體交互過程中各個(gè)電動(dòng)推桿所受的壓力信號。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由位置控制器與力控制器組成,位置控制器與電位計(jì)產(chǎn)采集的位置信號構(gòu)成控制內(nèi)環(huán),控制腰部助力模式,力控制器與壓力傳感器采集的壓力信號構(gòu)成控制外環(huán),內(nèi)外環(huán)的混合控制用于牽引康復(fù)訓(xùn)練。控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

▲圖3 腰椎外骨骼控制系統(tǒng)

▲圖4 控制系統(tǒng)框圖

4 樣機(jī)研制

4.1 樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腰椎外骨骼樣機(jī)由腰椎外骨骼主體和遙控器組成。腰椎外骨骼外觀設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖如圖5,腰椎外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由腰部組件、骨盆組件以及四個(gè)推桿電機(jī)組成,腰部組件包含兩個(gè)符合人因工程學(xué)設(shè)計(jì)的弧形支撐板,貼合人體腰部輪廓,弧形支撐板內(nèi)側(cè)鉚接有完全覆蓋支撐板大小的尼龍腰部綁帶。使用開合式魔術(shù)貼,能夠方便快捷地穿戴腰椎外骨骼。腰部綁帶中部的伸縮式卡扣,能夠調(diào)節(jié)腰部綁帶尺寸。兩個(gè)腰部支撐板外側(cè)分別連接有兩個(gè)鋁合金制造的萬向節(jié),萬向節(jié)連接推桿電機(jī)上端。骨盆組件與腰部組件構(gòu)成基本類似。

▲圖5 腰椎外骨骼樣機(jī)外觀

4.2 外觀設(shè)計(jì)

腰椎外骨骼整體配色主要由白、銀、黑三種顏色組成,黑色的色彩主要用于腰部綁帶與骨盆綁帶,給人以一種結(jié)實(shí)可靠感。白色色彩用于腰部與骨盆支撐板,以及腰部與骨盆綁帶的邊緣位置,白色對于環(huán)境的融合性較高,能夠給人一種干凈,簡約感。銀色的色彩來自電動(dòng)推桿,萬向節(jié)和其他一些小零件,銀色給人帶來一種金屬的質(zhì)感、典雅的心理感受。通過白、銀、黑的顏色搭配,腰椎外骨骼整體的形態(tài)表現(xiàn)簡約,有立體感,結(jié)實(shí)耐用。

腰椎外骨骼的腰部與骨盆支撐板由ABS樹脂通過3D打印制作而成,符合人體生理曲度,重量輕。腰部與骨盆綁帶由尼龍布料制作而成,擁有較好的韌性與耐磨性,便于牢牢固定使用者的腰部與骨盆。萬向節(jié)及其他零件使用鋁合金加工而成,具有較好的強(qiáng)度、剛度及耐腐蝕性。電動(dòng)推桿使用Actuonix公司的P16電機(jī),最大驅(qū)動(dòng)力可達(dá)400 N,能夠滿足對使用者的訓(xùn)練需求。

4.3 控制器設(shè)計(jì)

遙控器組成及其操作界面如圖6所示。遙控器機(jī)身采用ABS塑料材質(zhì),絕緣性好,重量輕,尺寸適合單手持握。遙控器按鍵采用硅膠材質(zhì),觸感舒適,結(jié)實(shí)耐用。遙控器整體設(shè)計(jì)圓潤、簡約,白色機(jī)身搭配黑色,少許藍(lán)色,科技感強(qiáng)。腰椎外骨骼的牽引速度可設(shè)置范圍為5 mm/s～9 mm/s,牽引力可設(shè)置范圍為(0～400)N,訓(xùn)練時(shí)長可設(shè)置范圍為1 min～30 min,供使用者按自己的需求設(shè)置。

腰椎外骨骼正確穿戴情況如圖7所示,并對穿戴者進(jìn)行腰部助力和牽引康復(fù)訓(xùn)練。腰椎外骨骼穿脫方便,可適用于多種體型的人穿戴,穿戴者腰圍范圍為75 cm～95 cm。

▲圖6 遙控器及其操作界面流程

▲圖7 樣機(jī)穿戴的前視和側(cè)視情況

5 實(shí)驗(yàn)評估

為了驗(yàn)證穿戴腰椎外骨骼對人體腰部的輔助效果,通過助力實(shí)驗(yàn)研究在穿戴該腰椎外骨骼處于牽引與不牽引狀態(tài)下的腰部肌肉表面肌電信號。本研究采用積分肌電值(IEMG)來評估在穿戴腰椎外骨骼時(shí)對人體腰部有無輔助作用[16]。在助力實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)舉起相同的重物時(shí),人體在穿戴腰椎外骨骼處于牽引狀態(tài)下的IEMG值相較于穿戴腰椎外骨骼處于不牽引狀態(tài)下的IEMG值小,那就可以證明腰椎外骨骼減少了腰部肌肉的使用情況,對人體腰部有輔助作用;反之則沒有輔助作用[17]。

(1) 受試者

研究對象為3名男性健康成年人(受試者A、B、C),根據(jù)調(diào)查顯示,相關(guān)實(shí)驗(yàn)者沒有腰部受傷以及腰部疾病史。在開始實(shí)驗(yàn)前,對實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了充分的說明,并向受試者講解腰椎外骨骼的穿戴方法,幫助受試者穿戴,并按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行一定的舉重練習(xí)。受試者的身體參數(shù)如表1所示。

表1 受試者身體參數(shù)

(2) 肌肉選取

如圖8所示,選取人體背部兩對肌肉:胸豎脊肌、腰豎脊肌作為肌電信號測量位點(diǎn)。由于每個(gè)人的日常生活習(xí)慣使然,在搬舉重物時(shí)人體兩側(cè)對稱的肌肉收縮情況不同,兩側(cè)對稱的肌肉產(chǎn)生的表面肌電信號大小可能存在較大差異,因此通過對相同肌肉在左側(cè)產(chǎn)生的肌電信號與右側(cè)產(chǎn)生的肌電信號值作平均處理,用來評估每一塊肌肉所產(chǎn)生的肌電信號大小。

▲圖8 肌肉選取位置示意圖

(3) 實(shí)驗(yàn)步驟與方法

通過對比腰椎外骨骼處于牽引狀態(tài)和不牽引狀態(tài)下,人體搬運(yùn)不同質(zhì)量的重物所產(chǎn)生的表面肌電信號大小來評估腰椎外骨骼的輔助作用,進(jìn)行了如圖9所示的實(shí)驗(yàn)。受試者在前5 s處于準(zhǔn)備狀態(tài),雙手搭在重物兩側(cè),并使背部肌肉處于靜息狀態(tài),然后在隨后的5 s內(nèi)將重物舉到一定高度,在此高度保持靜止5 s,隨之在5 s內(nèi)放下重物,并之后保持放松狀態(tài)5秒,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并讓受試者休息2 min。受試者在穿戴腰椎外骨骼并在其處于牽引狀態(tài)和不牽引狀態(tài)下分別搬舉重量為5 kg,7.5 kg,10 kg的重物,并分別重復(fù)10次。

▲圖9 實(shí)驗(yàn)步驟示意圖

(4) 數(shù)據(jù)處理

對于采集到的每塊肌肉的表面肌電信號原始測量數(shù)據(jù),通過(10～500)Hz帶通濾波器和50 Hz陷波濾波器對原始肌電信號進(jìn)行預(yù)處理,全波整流后計(jì)算肌電信號的IEMG值作為評估肌肉使用情況的指標(biāo), IEMG值計(jì)算公式如下:

其中:τ為時(shí)間常數(shù),(-T,T)為計(jì)算區(qū)間。

(5) 結(jié)果

如圖10表示的是在分別搬舉5 kg、7.5 kg和10 kg重物下三位受試者的IEMG值。由圖10中各個(gè)受試者在穿戴腰椎外骨骼處于“牽引”與“未牽引”狀態(tài)時(shí)腰豎脊肌和胸豎脊肌的肌電信號值可知,隨著搬舉重物重量的增加,三位受試者的LES與TES的IEMG值的大小都會增加,總體來說,LES的IEMG值大小普遍強(qiáng)于TES的IEMG值大小,并且LES與TES在腰椎外骨骼處于牽引狀態(tài)下的IEMG值大小普遍比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態(tài)下的IEMG值大小有所降低。對于實(shí)驗(yàn)者1來說,在搬舉相同重量重物的情況下,LES的IEMG值大小顯著強(qiáng)于TES的IEMG值大小(P<0.001)。LES在腰椎外骨骼處于牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小有顯著降低(P<0.001)。隨著搬舉重物重量的增加,LES的IEMG值大小有顯著增加(P<0.001)。對于實(shí)驗(yàn)者2來說,在搬舉相同重量重物的情況下,LES的IEMG值顯著強(qiáng)于TES的IEMG值(P<0.001)。在搬舉5 kg和7.5 kg重物時(shí)LES在腰椎外骨骼處于牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小有顯著降低(P<0.001),在搬舉5 kg重物時(shí)TES在腰椎外骨骼處于牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小有顯著降低(P<0.001)。在搬舉重物的重量由5 kg增加至7.5 kg后,LES的IEMG值的大小有較為顯著的增加(P<0.05),在搬舉重物的重量由7.5 kg增加至10 kg后,LES的IEMG值的大小有顯著增加(P<0.001)。對于實(shí)驗(yàn)者3來說,在搬舉相同重量重物的情況下,LES的IEMG值顯著強(qiáng)于TES的IEMG值(P<0.001)。在搬舉5 kg重物時(shí)LES在腰椎外骨骼處于牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小有顯著降低(P<0.001),在搬舉7.5 kg重物時(shí)TES在腰椎外骨骼處于牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小有顯著降低(P<0.001),在搬舉10 kg重物時(shí)LES在腰椎外骨骼處于牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態(tài)下的IEMG值的大小有較為顯著降低(P<0.05)。隨著搬舉重物重量的增加,LES的IEMG值大小有顯著增加(P<0.001)。

▲圖10 三位受試者的IEMG值(其中“未牽引”表示受試者穿戴腰椎外骨骼沒有牽引的狀態(tài);“牽引”表示受試者穿戴腰椎外骨骼牽引的狀態(tài);“LES”表示腰豎脊肌,“TES”表示胸豎脊肌。)

(6) 討論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,IEMG值大小可以一定程度反應(yīng)出人體背部肌肉的使用情況,在舉重過程中人體背部對肌肉LES的使用率較肌肉TES的使用率較強(qiáng)。隨著搬舉重物重量的增加,三位受試者的LES與TES的IEMG值的大小都會增加,意味著隨著外部負(fù)載的增加,人體需要調(diào)動(dòng)更多的肌肉力量去抵消外部負(fù)載的作用。同時(shí),通過比較在搬舉相同重物下的腰椎外骨骼處于牽引和不牽引狀態(tài)下的IEMG值可知,在穿戴腰椎外骨骼牽引狀態(tài)下的肌肉使用情況,相較于穿戴腰椎外骨骼不牽引狀態(tài)下肌肉使用情況有所降低。因此,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知使用腰椎外骨骼能夠有效降低人體腰部負(fù)荷,減緩腰部壓力,從而為腰部疼痛患者減輕腰部疼痛。

本研究也存在一些不足之處,參與實(shí)驗(yàn)的人數(shù)不足,不能對腰椎外骨骼的輔助效果做出定量化的分析,未能對腰椎外骨骼對人體腰部的輔助力大小做出具體評估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,受試者在穿戴腰椎外骨骼處于“牽引”與“未牽引”狀態(tài)時(shí)胸豎脊肌(TES)的肌電信號值變化不顯著,可能存在的原因是由于在采集表面肌電信號時(shí),腰椎外骨骼的綁帶與采集表面肌電信號的采集電極觸碰所導(dǎo)致采集到的TES處表面肌電信號值不準(zhǔn)確所導(dǎo)致。在后續(xù)的工作中,我們會增加受試者的數(shù)量,分析腰椎外骨骼對人體輔助力的大小,并探究腰椎外骨骼對腰部疼痛患者的具體輔助效果。

6 結(jié)論

本文提出了一種新型生物融合式腰椎外骨骼的設(shè)計(jì)及其輔助作用評估。首先設(shè)計(jì)了其機(jī)械結(jié)構(gòu),并分析了其運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。接著介紹了其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過力控制器和位置控制器能夠?qū)ρ祷颊哌M(jìn)行腰部助力與牽引康復(fù)訓(xùn)練。在腰椎外骨骼樣機(jī)研制中,通過工業(yè)設(shè)計(jì)對腰椎外骨骼樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)與控制器功能進(jìn)行設(shè)計(jì),優(yōu)化使用者的穿戴體驗(yàn)。最后,為了評估腰椎外骨骼對人體的輔助作用,設(shè)計(jì)了舉重實(shí)驗(yàn),在舉起重物過程中通過采集人體背部兩對肌肉:胸豎脊肌、腰豎脊肌的肌電信號,比較其IEMG信號的大小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明穿戴腰椎外骨骼能夠降低人體腰部肌肉使用情況,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的腰椎外骨骼對人體腰部具有輔助作用。