一種主動式膝關節助力外骨骼的性能評估

趙毅陽,張 豪,李俊邑,劉 兵,劉 冰,袁 博

(重慶理工大學 機械工程學院, 重慶 400054)

膝關節是人體最大、結構最為復雜的關節,起到了支撐上肢重量和緩沖的作用,同樣也是人體運動最容易受到傷害的關節之一[1]。消防隊員和軍事人員通常要攜帶超過30 kg的設備或物資執行任務,會極大的增加體能消耗,同時也增加了骨骼肌受損傷的風險[1-2]。有研究表明,當人體處于連續上樓梯時,會增加人體的能量代謝[3],膝關節承受的力量大約為人體自重的2倍[4],并且當人體在負重的情況下,在樓梯間行走時,膝關節所承受的負荷會大大增加,對膝關節會造成極大的損傷[5]。此外,生活中還有很多膝關節損傷的患者,如骨性關節炎、髕骨軟化癥和半月板損傷等疾病造成患者膝關節行走能力退化[6]。經預測,在2050年,我國65歲以上人口將達到3.34億人[7],未來勞動力會出現短缺,所以,更加需要關注年輕勞動人群的膝關節健康情況和老年人膝軟無力的情況。在這種情況下,就需要使用主動式下肢助力外骨骼增強人體的下肢力量和耐力,預防和緩解膝關節的疲勞病變。

主動式下肢助力外骨骼是一種人體可穿戴式的機械裝置,并聯于人體的下肢,可用于增強或是恢復人體的運動能力[8-9],也可以為膝關節功能障礙的患者進行步態康復[10-12],它可以根據人體的運動意圖進行肢體跟隨并為下肢助力或支撐。Maclean等[13]做了在不同場景下穿戴膝關節外骨骼的能量代謝實驗,嘗試了在戶外更加真實的場景下去進行實驗,實驗結果說明當膝關節需要更大的正向機械功時,膝關節外骨骼才可以降低代謝消耗,并且在戶外測試時,受試者無法達到代謝穩定狀態,難以對能量成本數據進行統計;楊燦軍等[14]設計了一款柔性膝關節保護外骨骼,在支撐期具有剛性,在擺動期具有柔性,可在運動中對膝關節負載減重及助力;劉王智懿等[15]設計了一款采用鮑登繩柔性驅動的下肢助力外骨骼,采用傳統的PID控制驅動系統,并進行了平路行走的能量代謝實驗有效證明穿戴此外骨骼降低代謝15%以上。

本課題組研究了一款主動式膝關節助力外骨骼,但目前為止,國內外對下肢助力外骨骼開展的性能評估研究不夠全面。為進一步弄清楚人體使用主動式膝關節助力外骨骼在連續上樓梯、單步上臺階和深蹲起時的助力機制和改進方向,本研究對其進行綜合助力性能評估。

1 方法

1.1 受試外骨骼

本款受試外骨骼是根據人上樓梯的步態行為以及我國人體工程學中人體測量學的特征,自主研發設計的主動式膝關節助力外骨骼,可在上臺階過程中對膝關節進行助力,同時緩解膝關節所受到的壓力,該外骨骼自重10 kg,續航時間最長可達到4 h,最大輸出轉矩為15 N·m,尺寸大小可調,能適應身高為165～190 cm的人。

受試外骨骼結構布局如圖1所示,受試外骨骼由背部的主動式卷線驅動器、鋼絲線管傳動機構、腿部剛性執行機構、鋼絲滑輪、鞋套和綁縛組成。主動式卷線驅動器由無刷電機、卷線盤和并聯扭簧構成,通過增加彈性元件,可確保鋼絲在電機不助力時,保持緊繃狀態,避免鋼絲松弛而引發系統不確定性。通常外骨骼的驅動部分都放在關節處,雖然提高了執行機構的效率,但也增加了關節的負擔,增加了人體下肢擺動慣性,靈活性較低。為此,主動式卷線驅動器放置于人體背部,可有效減輕膝關節處的負擔。采用鋼絲線管的傳動方式,這種方式可有效降低外骨骼結構的復雜性,鋼絲繩柔性驅動不僅結構緊湊靈巧而且承載力較大,可靠性較好。

圖1 膝關節助力外骨骼結構布局示意圖

1.2 電機驅動助力模型建立

受試外骨骼采用的無刷電機并聯卷簧機構,以卷線盤纏繞柔性鋼絲,通過鋼絲將拉力柔性傳遞至外骨骼膝關節處,以圖2建立電機輸出轉矩和外骨骼膝關節轉矩關系式為:

(1)

式中:i為傳動比;TK為外骨骼膝關節轉矩;TM為電機輸出轉矩;r1為卷線盤半徑;r2為膝關節的旋轉半徑。

圖2 并聯彈性驅動結構示意圖

電機角速度和膝關節角速度關系式為:

(2)

式中:wK為膝關節角速度;wM為電機角速度。

其中人體膝關節角速度公式為:

(3)

式中:Δθ為上臺階過程中膝關節的變化角度;ΔΤ為單側腿上臺階周期。

按照中國成年人的平均身高為175 cm計算[16],人體上臺階部分參數和外骨骼參數如表1所示。

表1 人體上臺階部分參數和外骨骼參數

將表1中參數r1、r2、Δθ和ΔΤ代入式(2)(3)聯合求解,可得到上臺階膝關節極限角速度為8.38 rad/s、傳動比為3.06和電機的角速度為25.64 rad/s,由此對電機進行選型,選型電機參數常轉矩為6 N·m,電機轉速為300 r/min,可滿足轉速需求,根據電機常轉矩TM為6 N·m,代入式(1)可得外骨骼膝關節轉矩TK為18.36 N·m。

為了進一步獲取受試外骨骼膝關節的理論助力效率可用式(4)計算。

(4)

式中:η為外骨骼膝關節理論助力效率;TN為上臺階時人體的膝關節轉矩。

當人上樓梯時,主要是由股四頭肌為膝關節提供力矩TN,用于克服人體重量,其中TN可通過大腿等長肌力測試求得,等長肌力是指肌肉收縮時,在長度不變情況下,對抗阻力的靜力性力量。可通過大腿等長肌力測試測出人體膝關節轉矩。測試樣本量為6名男性,分別對其左、右腿進行大腿等長肌力測試,測試工具:拉力傳感器和繩帶;測試方法[17]如圖3所示,受試者坐于凳椅上,繩帶一端綁系在受試者踝關節處,繩帶另一端綁系在拉力傳感器處,從凳椅下伸出,拉力傳感器由輔助人員拉住使繩帶繃直,受試者伸直腿,股四頭肌靜態發力,通過拉力傳感器測出股四頭肌的等長肌力,以踝關節至膝關節距離為力臂長度,結果如表2所示,計算出人體膝關節轉矩約為 77.61 N·m。

圖3 等長肌力測試場景圖

表2 大腿等長肌力測試

可由式(4)求得外骨骼膝關節的理論助力效率約為23.66%,表明人體穿戴受試外骨骼上臺階理論上可降低穿戴者約23.66%的膝關節轉矩。

1.3 受試者

本實驗共招募6名成年男性為受試者,平均年齡:23歲,平均身高:(171.5±5.4)cm,體重:(69.3±3.3)kg,外骨骼樣機可調節尺寸范圍滿足所有受試者,具體身體信息如表3所示。所有受試者測試前均未報告患骨骼肌肉疾病。受試前實驗員對受試者進行外骨骼穿戴使用培訓,并告知受試者所有測試項目流程及細節,所有受試均自愿參與測試。

表3 受試者身體信息

1.4 實驗設備及材料

1.4.1代謝成本測試

代謝成本測試采用德國Carefusion公司的運動心肺功能測試儀Oxycon Mobile,該設備可實時采集運動過程中耗氧量、二氧化碳呼出量、心率等生理數據。

1.4.2肌肉活動測試

肌肉活動測試采用美國的Noraxon MyoMuscle多路肌電信號采集系統,該設備可進行運動過程中肌電信號實時采集。

1.5 實驗方法

本實驗通過對比分析有無主動式膝關節助力外骨骼在連續上臺階的綜合代謝成本、單步上臺階、深蹲起的局部肌肉活動,綜合評估該外骨骼性能。

綜合代謝成本測試:為了評估該外骨骼對穿戴者連續爬升過程的綜合助力效能,通過以下實驗,對穿戴外骨骼和無外骨骼狀態下,受試者綜合代謝成本指標進行對比。受試者需要在2種受試條件下,連續以每分鐘56步的速度上臺階,進行10 min代謝成本的實驗。實驗順序為隨機態進行,每個受試者連續進行3 d的重復實驗[18],避免偶然性,并且受試者在每種條件進行實驗前,需測量靜息狀態下的代謝成本,以消除累計疲勞造成的誤差,測試現場如圖4所示。每位受試者分別在兩組實驗之間休息60 min以上,以保證受試者的體能恢復。

圖4 受試者連續上臺階實驗圖

局部肌肉活動測試:為了評估該外骨骼對膝關節的局部助力效能,通過以下實驗,對穿戴外骨骼和無外骨骼狀態下,受試者的股四頭肌肌電信號進行對比,股四頭肌由股直肌、股外側肌、股內側肌以及股中間肌組成,由于股中間肌被股直肌覆蓋,無法直接測取股中間肌表面肌電信號,故本次實驗不再測量股中間肌。測試前先用酒精棉球涂抹測試肌肉部位,去除皮膚表面油污等雜質,減少肌電信號采集中皮膚阻抗的影響,然后沿著肌肉纖維方向貼好電極片[19],固定好信號采集器。① 爬升單步臺階實驗:受試者在穿戴外骨骼或不穿戴外骨骼的狀態下,分別爬升15、30、45 cm的單層臺階,相同動作重復8次,由此獲得多組相同條件下的爬升臺階腿部肌電信號。試驗中規定每個人確定自己的慣用腿作為上單級臺階時的前邁腿,在爬升的過程中,不帶有任何助跑或先微蹲蓄力的動作,并且盡量減少后邁小腿的蹬踏動作。其試驗過程中的運動姿態如圖5(a)所示;② 深蹲起實驗:受試者穿戴或不穿外骨骼坐下到30 cm高度的臺階上,待坐姿穩定后,再雙腿發力直至站立,相同動作重復進行8次,由此獲得多組相同條件下的深蹲起腿部肌電信號,其試驗過程中的運動姿態如圖5(b)所示。

圖5 單步上臺階和深蹲起實驗圖

1.6 數據處理方法

1.6.1綜合代謝成本測試

在每種受試條件下,取最后2 min的耗氧量和二氧化碳呼出量作為平均值,根據Collions等[20]的研究,利用公式(5)獲取每種受試條件下的代謝功率,再減去每次開始前靜息實驗的代謝功率,獲取每種受試條件下的凈代謝功率。

(5)

式中:H為單位質量凈代謝功率,W/kg;VO2為凈耗氧量;VCO2為凈二氧化碳呼出量, mL/s;m為受試者的體重,kg。

1.6.2肌肉活動測試

通過Noraxon-DTS采集系統的運動數據同步,將受測處肌肉的肌電信號進行帶通濾波(低頻閾值20 Hz,高頻閾值300 Hz),正值整流,以及均方根平滑處理。本實驗提取肌電信號時域特征均方根值(root mean square,RMS),RMS可描述受測處表面肌電信號在一定時間內的集中程度,以此來反映上臺階或深蹲起過程中肌肉的發力情況。該信號處理過程的具體計算公式如下:

(6)

式中:xi為一個采樣點幅值;(i=0,1,2,…,N-1)為一長度為N的時間序列。本實驗中設計的肌電信號采樣頻率為1 500 Hz;RMS采樣周期窗口為500 ms。

另外,由于不同受試者之間采集到的表面肌電信號存在較大的差異性,為了將多位受試者的實驗結果進一步平均和綜合分析,在得到個體發力的RMS值后,還采用了歸一化處理。具體歸一化處理方式是計算上臺階時肌電信號均方根值占統計采集的個人最大肌電信號均方根值的百分比。

(7)

式中:RMS%為歸一化處理后的肌電信號均方根值;RMSi是受測處表面肌電信號均方根值;RMSMax是統計所得個人受測處最大肌電信號均方根值。

本研究中出現的降低比例、升高比例和助力效率η通過式(11)計算而來。

(8)

式中:Wn指無外骨骼時的生理指標測量值;Wy指穿外骨骼的生理指標測量值,該生理指標測量值在肌電信號測試中為歸一化處理的肌電均方根值,在代謝成本測試中為單位質量凈代謝功率。

2 結果

2.1 代謝成本測試

首先對受試者重復性實驗的數據進行單因素方差分析和組內相關系數檢驗,單因素方差分析(ANOVA)可用于研究多次實驗的數據之間是否有顯著性差異,組內相關系數(ICC)可用于評價多次實驗中同一數據測量結果的一致性。所有受試者數據均具有正態分布性和方差齊性,對耗氧量、二氧化碳呼出量和單位質量凈代謝功率的單因素方差分析以及組內相關性檢驗結果,如表4所示,耗氧量、二氧化碳呼出量和單位質量凈代謝功率在3次實驗之間均不存在顯著性差異,且都存在較高一致性,說明各個受試者在重復3次的代謝成本實驗中數據結果基本一致,不存在顯著性差異。

表4 耗氧量、二氧化碳呼出量和單位質量凈代謝功率的單因素方差分析以及組內相關性

在穿戴和不穿外骨骼條件下,受試者連續上臺階的耗氧量、二氧化碳呼出量和單位質量凈代謝功率數據,如表5和圖6所示。在無外骨骼時,平均耗氧量為(27.13±1.58)mL/(kg·min),穿戴外骨骼時,平均耗氧量為(28.00±1.71)mL/(kg·min),平均升高了3.21%(p=0.25);在無外骨骼時,平均二氧化碳呼出量為(24.37±1.48)mL/(kg·min),穿戴外骨骼時,平均二氧化碳呼出量為(24.68±1.75)mL/(kg·min),平均升高了1.27%(p=0.62);通過代謝功率公式計算得平均代謝功率升高了2.8%(p=0.30),且在穿戴外骨骼和不穿戴外骨骼條件下均無顯著性差異。

表5 連續上臺階過程中的代謝成本指標

圖6 代謝成本指標數據直方圖

2.2 肌肉活動測試:

1)爬升單步臺階實驗:本測試采集了無外骨骼和穿戴外骨骼在不同高度臺階時股直肌、股外側肌、股內側肌的肌電信號,實驗結果見表 6和圖 7,爬升15 cm臺階時,其中股直肌肌肉活動平均降低40.30%(p=0.026),股外側肌肌肉活動平均降低19.93%(p=0.008),股內側肌肌肉活動平均降低28.51%(p=0.001);爬升30 cm臺階時,其中股直肌肌肉活動平均降低29.81%(p=0.022),股外側肌肌肉活動平均降低8.31%(p=0.155),股內側肌肌肉活動平均降低18.36%(p=0.034);爬升45 cm臺階時,其中股直肌肌肉活動平均降低20.75%(p=0.017),股外側肌肌肉活動平均降低14.08%(p=0.006),股內側肌肌肉活動平均降低14.15%(p=0.028)。在穿戴外骨骼較無外骨骼上臺階過程中,股直肌、股外側肌和股內側肌的肌肉活動均有降低。除30 cm臺階條件下的股外側肌外,穿和不穿外骨骼條件對各受測肌肉的影響均存在顯著性差異。

2) 深蹲起實驗:本測試采集了無外骨骼和穿戴外骨骼在30 cm高度臺階深蹲起時股直肌、股外側肌和股內側肌肌電信號,實驗結果如表7和圖8,其中股直肌肌肉活動平均降低34.18%(p=0.003),股外側肌肌肉活動平均降低28.53%(p=0.025),股內側肌肌肉活動平均降低18.87%(p=0.033)。在穿戴外骨骼較無外骨骼深蹲起過程中,股直肌、股外側肌和股內側肌的肌肉活動均有降低,且穿和不穿外骨骼條件對各受測肌肉的影響均存在顯著性差異。

表6 爬升單步臺階實驗中受測肌肉的電信號實驗結果

表7 深蹲起實驗中受測肌肉的電信號實驗結果

圖7 單步臺階局部肌電信號數據直方圖

圖8 深蹲起局部肌電信號數據直方圖

3 分析與討論

根據人體代謝成本的3次重復性實驗結果,對耗氧量、二氧化碳呼出量和單位質量凈代謝功率進行單因素方差分析和組內相關系數檢驗,由檢驗結果可知,3次實驗之間不存在顯著性差異,并存在一致性,故可驗證多次實驗避免了偶然現象,使單次的實驗結果真實可靠。

根據代謝成本測試的數據結果可知,使用外骨骼在連續上臺階過程中平均增加了穿戴者耗氧量3.21%、二氧化碳呼出量1.27%,單位質量凈代謝功率2.8%;根據肌肉活動測試結果,爬升單步臺階:穿戴外骨骼后的股直肌、股外側肌和股內側肌的發力普遍要低于未穿外骨骼時相同動作的發力程度。從數據上可以看到,隨著臺階的增高,人體大腿的肌電信號強度逐漸增強,在穿戴外骨骼后,大腿的肌電信號強度普遍有所降低,說明外骨骼對于上臺階普遍具有局部助力作用。深蹲起:從數據可以看出,穿戴外骨骼后股直肌、股外側肌和股內側肌的肌肉活動量普遍降低。由結果可知,外骨骼平均降低大腿肌群24.4%的肌肉活動量,可直觀反應測試中穿戴外骨骼降低了穿戴者膝關節轉矩,且符合預期膝關節的理論助力效率。外骨骼雖然在整體上未降低穿戴者的單位質量凈代謝功率,但外骨骼能明顯降低人體大腿肌肉群的峰值發力程度,說明外骨骼對于穿戴者具有局部助力作用。

在6位受試者的代謝測試結果中發現存在助力正效果和負效果的現象,以表 8中受試者3和受試者5的代謝測試結果數據為例,受試者3使用外骨骼進行代謝測試,結果顯示增加了3.13%的單位質量凈代謝功率,受試者5使用外骨骼可降低2.29%的單位質量凈代謝功率。在連續上臺階的過程中,存在許多影響代謝成本的因素,步態的適應性、外骨骼的自重、穿戴者的心理因素以及外骨骼綁縛的舒適度都會對穿戴者造成影響。

表8 部分受試者的代謝測試結果

由于外骨骼的自重是無法忽略的,受試者在穿戴外骨骼進行實驗時增加了自身的負重,外骨骼在對人體進行助力時,同時也要抵消外骨骼自重的影響。猜想可能是由于外骨骼的自重影響了實際的整體助力效果。由于外骨骼在不開啟助力的狀態下,膝關節處存在阻抗會對穿戴者施加阻力。因此,設計一組對照試驗進行分析,由于外骨骼樣機自重10 kg,選取4名受試者進行不穿戴外骨骼且背負10 kg的負重進行連續爬臺階的代謝成本實驗,模擬只穿戴外骨骼而不開啟助力時的無阻抗狀態,并與穿戴外骨骼的數據進行對比,結果如表9和圖9。

表9 對照試驗連續上臺階過程中的 代謝成本指標

在負重10 kg時,平均耗氧量為(29.43±1.23)mL/(min·kg),穿戴外骨骼時平均耗氧量為(28.00±1.71)mL/(min·kg),平均降低了4.42%;在負重10 kg時,平均二氧化碳呼出量為(26.45±1.81)mL/(min·kg),穿戴外骨骼時,平均二氧化碳呼出量為(24.68±1.75)mL/(min·kg),平均降低了6.69%;通過代謝功率公式計算得平均代謝功率降低了5.27%,說明外骨骼對穿戴者提供了一定的助力,抵消了一部分外骨骼自重的影響。

圖9 對照試驗連續上臺階過程中的代謝成本 指標直方圖

綜上所述,受試外骨骼可為穿戴者提供有效的局部助力,且助力效率基本符合預期的理想助力效率,在受試者上單層臺階和深蹲起的過程中,可有效降低股直肌、股外側肌和股內側肌的肌肉活動量,同時由于外骨骼的自重影響了實際的整體助力效果。

4 結論

1) 受試外骨骼在連續上臺階的實驗中未能顯著降低穿戴者的綜合代謝成本。根據對照試驗結果分析,這主要源于外骨骼自重不能忽略,在外骨骼助力的同時也增加了穿戴者的負重,暴露出外骨骼為穿戴者提供的助力難以抵消自重帶來的影響,因此,外骨骼需要進一步進行輕量化設計。

2) 在爬升單步臺階和深蹲起的過程中,外骨骼可有效降低穿戴者股直肌、股外側肌和股內側肌的肌肉活動量,降低穿戴者膝關節的轉矩,基本符合預期的理想助力效率η,對下肢運動具有顯著的局部助力效果。