一種新型生物融合式腰椎外骨骼的設計及評估

杜世珍, 石 萍*,,2, 王道雨, 簡 卓, 喻洪流,2

(1.上海理工大學 康復工程與技術研究所,上海 200093,E-mail:pshi@usst.edu.cn;2.上?？祻推餍倒こ碳夹g研究中心,上海 200093;3.上海卓道醫療科技有限公司,上海 201210)

1 背景

康復外骨骼技術在康復醫療、工業制造、民用消費等領域發展迅速[1-4]。在康復醫療中,外骨骼機器人能夠替代康復治療師繁重而重復的康復訓練任務[5-6]。開發輕量化,小巧化的康復外骨骼機器人在患者日常生活中的應用,將極大地提高康復訓練的效率,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出來用于脊柱的康復訓練和日常助力功能。 Takuya等[7]為了減輕人體下背部在搬運貨物時的負擔,開發了一種叫做“肌肉套裝”下背部支撐外骨骼,由連接大腿和腰部的旋轉機構,以及名為McKibben人工肌肉的彈性執行器,空氣壓縮機等組成,通過彈性執行器,為彎腰搬運重物的人,提供一定舉起重物的輔助力。文獻[7]通過表面肌電圖,對人體在搬運重物時的肌肉使用率進行了評估,驗證了“肌肉套裝”下背部支撐外骨骼對人體在搬運重物時具有輔助作用。文獻[8-9]開發出了一種纜索驅動的并聯腰部康復機器人,通過一種創新的兩級控制算法對纜索拉力進行精確控制,實現人體腰部康復訓練和助力功能。文獻[10-11]為了減少與負重相關的腰部疼痛與損傷的發生,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”的設計以及兩個電纜驅動模塊,調節電纜張力能夠將肩部的負載轉移到骨盆,減輕在負重時肩部所承受的壓力。文獻[12]提出一種可重構脊柱外骨骼,由多個控制阻力與運動范圍的聯軸器組成,能夠為佩戴者提供有效的支撐與增強。上述腰椎外骨骼目前還處于實驗室研究,目前亟待開發小型化、輕量化的家庭康復助力腰椎外骨骼。

腰椎外骨骼與人體之間是協調與交互的關系。作者設計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,并進行腰部康復訓練與助力。作者基于上述設計進行了工程樣機的研制,樣機設計充分考慮了穿戴的便攜性,美觀性、實用性的特點。本文結構如下:第二節中介紹了所提出腰椎外骨骼的機械結構,并進行了運動學分析;第三節介紹了腰椎外骨骼控制系統的結構;第四節為腰椎外骨骼的樣機研制,包括樣機的整體設計,外觀設計,控制器設計;第五節通過實驗驗證了腰椎外骨骼對人體腰部的輔助作用;第六節進行了總結。

2 機械結構設計

生物融合式康復機構作為一種新型的機構類型,將剛性的機械機構與柔性的人體機構結合,是符合生物運動方式的剛柔耦合機構[13-15]。本文所述的新型生物融合式腰椎外骨骼機構是符合人體腰部生理結構和運動形式的空間閉環結構,其中,人體骨盆、胸椎節段等效為機構上、下平臺,脊柱在骨盆與胸椎節段之間的運動形式可等效為球面副形式;機械機構由4個SPS串聯機構與人體機構上下平臺連接構成的并聯機構組成。此時,人機閉環可用S/4-SPS表示,人體機構為串聯結構形式,兩端分別與機械機構相連,腰部的繞矢狀軸,冠狀軸和垂直軸的前屈后伸,左右側屈以及旋轉等運動由并聯機械結構帶動腰部實現,其腰部訓練角度由并聯機械結構的輸出位姿決定。

腰椎外骨骼結構示意圖如圖1所示,定平臺與驅動支鏈一端的連接點為Ai(i=1,2,3,4),定平臺通過連接點Bi(i=1,2,3,4)與驅動支鏈另一端連接,以定平臺中心P為原點建立定坐標系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,接著以動平臺中心K為原點建立動坐標系K-xyz,x軸沿B1B2方向,y軸沿B1B4方向,z軸垂直于動平臺方向向上。

▲圖1 腰椎外骨骼結構示意圖

通過采用Z-Y-X型歐拉角得到動坐標系相對于定坐標系的旋轉矩陣為

(1)

為了求得在不同角度α,β,γ下的驅動支鏈長度Li,根據封閉環方法以及旋轉矩陣的坐標變換,得到驅動支鏈長度矢量:

(2)

變換得到

(3)

其中:Li和AiBi都表示驅動支鏈的矢量,PK表示動坐標系K-xyz的原點K相對于定坐標系P-xyz原點P的位置向量,KBi表示在動坐標系K-xyz下Bi點相對于動坐標系K-xyz原點K的位置矢量,PAi表示在定坐標系P-xyz下Ai點相對于定坐標系P-xyz原點P的位置矢量。因此,驅動支鏈長度為

(4)

▲圖2 腰椎外骨骼結構

參考正常人身體尺寸與人體腰部運動范圍,腰椎外骨骼結構設計如圖2所示。

3 控制系統設計

腰椎外骨骼控制系統如圖3所示。

通過腰椎外骨骼機械結構以及控制系統,腰椎外骨骼能夠對腰椎患者進行腰部助力與牽引康復訓練。腰椎外骨骼的控制系統主要由人機交互模塊,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,電機驅動模塊七個模塊組成。

位置傳感器模塊主要由陀螺儀與電動推桿內部的電位計組成,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信號,電位計用于采集電機所處的位置信號。壓力傳感器模塊由四個壓力傳感器組成,用于采集腰椎外骨骼在與人體交互過程中各個電動推桿所受的壓力信號。電機驅動模塊由位置控制器與力控制器組成,位置控制器與電位計產采集的位置信號構成控制內環,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成控制外環,內外環的混合控制用于牽引康復訓練?？刂葡到y框圖如圖4所示。

▲圖3 腰椎外骨骼控制系統

▲圖4 控制系統框圖

4 樣機研制

4.1 樣機整體結構設計

腰椎外骨骼樣機由腰椎外骨骼主體和遙控器組成。腰椎外骨骼外觀設計圖和實物圖如圖5,腰椎外骨骼的機械結構主要由腰部組件、骨盆組件以及四個推桿電機組成,腰部組件包含兩個符合人因工程學設計的弧形支撐板,貼合人體腰部輪廓,弧形支撐板內側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,能夠調節腰部綁帶尺寸。兩個腰部支撐板外側分別連接有兩個鋁合金制造的萬向節,萬向節連接推桿電機上端。骨盆組件與腰部組件構成基本類似。

▲圖5 腰椎外骨骼樣機外觀

4.2 外觀設計

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,給人以一種結實可靠感。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推桿,萬向節和其他一些小零件,銀色給人帶來一種金屬的質感、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表現簡約,有立體感,結實耐用。

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。萬向節及其他零件使用鋁合金加工而成,具有較好的強度、剛度及耐腐蝕性。電動推桿使用Actuonix公司的P16電機,最大驅動力可達400 N,能夠滿足對使用者的訓練需求。

4.3 控制器設計

遙控器組成及其操作界面如圖6所示。遙控器機身采用ABS塑料材質,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,觸感舒適,結實耐用。遙控器整體設計圓潤、簡約,白色機身搭配黑色,少許藍色,科技感強。腰椎外骨骼的牽引速度可設置范圍為5 mm/s～9 mm/s,牽引力可設置范圍為(0～400)N,訓練時長可設置范圍為1 min～30 min,供使用者按自己的需求設置。

腰椎外骨骼正確穿戴情況如圖7所示,并對穿戴者進行腰部助力和牽引康復訓練。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 樣機穿戴的前視和側視情況

5 實驗評估

為了驗證穿戴腰椎外骨骼對人體腰部的輔助效果,通過助力實驗研究在穿戴該腰椎外骨骼處于牽引與不牽引狀態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對人體腰部有無輔助作用[16]。在助力實驗中,當舉起相同的重物時,人體在穿戴腰椎外骨骼處于牽引狀態下的IEMG值相較于穿戴腰椎外骨骼處于不牽引狀態下的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),根據調查顯示,相關實驗者沒有腰部受傷以及腰部疾病史。在開始實驗前,對實驗的相關內容和相關風險進行了充分的說明,并向受試者講解腰椎外骨骼的穿戴方法,幫助受試者穿戴,并按照實驗要求進行一定的舉重練習。受試者的身體參數如表1所示。

表1 受試者身體參數

(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。由于每個人的日常生活習慣使然,在搬舉重物時人體兩側對稱的肌肉收縮情況不同,兩側對稱的肌肉產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產生的肌電信號與右側產生的肌電信號值作平均處理,用來評估每一塊肌肉所產生的肌電信號大小。

▲圖8 肌肉選取位置示意圖

(3) 實驗步驟與方法

通過對比腰椎外骨骼處于牽引狀態和不牽引狀態下,人體搬運不同質量的重物所產生的表面肌電信號大小來評估腰椎外骨骼的輔助作用,進行了如圖9所示的實驗。受試者在前5 s處于準備狀態,雙手搭在重物兩側,并使背部肌肉處于靜息狀態,然后在隨后的5 s內將重物舉到一定高度,在此高度保持靜止5 s,隨之在5 s內放下重物,并之后保持放松狀態5秒,記錄實驗數據,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和不牽引狀態下分別搬舉重量為5 kg,7.5 kg,10 kg的重物,并分別重復10次。

▲圖9 實驗步驟示意圖

(4) 數據處理

對于采集到的每塊肌肉的表面肌電信號原始測量數據,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行預處理,全波整流后計算肌電信號的IEMG值作為評估肌肉使用情況的指標, IEMG值計算公式如下:

其中:τ為時間常數,(-T,T)為計算區間。

(5) 結果

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中各個受試者在穿戴腰椎外骨骼處于“牽引”與“未牽引”狀態時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值大小普遍強于TES的IEMG值大小,并且LES與TES在腰椎外骨骼處于牽引狀態下的IEMG值大小普遍比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態下的IEMG值大小有所降低。對于實驗者1來說,在搬舉相同重量重物的情況下,LES的IEMG值大小顯著強于TES的IEMG值大小(P<0.001)。LES在腰椎外骨骼處于牽引狀態下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態下的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)。對于實驗者2來說,在搬舉相同重量重物的情況下,LES的IEMG值顯著強于TES的IEMG值(P<0.001)。在搬舉5 kg和7.5 kg重物時LES在腰椎外骨骼處于牽引狀態下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態下的IEMG值的大小有顯著降低(P<0.001),在搬舉5 kg重物時TES在腰椎外骨骼處于牽引狀態下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態下的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)。對于實驗者3來說,在搬舉相同重量重物的情況下,LES的IEMG值顯著強于TES的IEMG值(P<0.001)。在搬舉5 kg重物時LES在腰椎外骨骼處于牽引狀態下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態下的IEMG值的大小有顯著降低(P<0.001),在搬舉7.5 kg重物時TES在腰椎外骨骼處于牽引狀態下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態下的IEMG值的大小有顯著降低(P<0.001),在搬舉10 kg重物時LES在腰椎外骨骼處于牽引狀態下的IEMG值的大小比在腰椎外骨骼處于未牽引狀態下的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;“牽引”表示受試者穿戴腰椎外骨骼牽引的狀態;“LES”表示腰豎脊肌,“TES”表示胸豎脊肌。)

(6) 討論

由實驗結果可知,IEMG值大小可以一定程度反應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。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,意味著隨著外部負載的增加,人體需要調動更多的肌肉力量去抵消外部負載的作用。同時,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下的IEMG值可知,在穿戴腰椎外骨骼牽引狀態下的肌肉使用情況,相較于穿戴腰椎外骨骼不牽引狀態下肌肉使用情況有所降低。因此,由實驗結果可知使用腰椎外骨骼能夠有效降低人體腰部負荷,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,參與實驗的人數不足,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。實驗結果中,受試者在穿戴腰椎外骨骼處于“牽引”與“未牽引”狀態時胸豎脊肌(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,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致采集到的TES處表面肌電信號值不準確所導致。在后續的工作中,我們會增加受試者的數量,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 結論

本文提出了一種新型生物融合式腰椎外骨骼的設計及其輔助作用評估。首先設計了其機械結構,并分析了其運動學逆解。接著介紹了其控制系統結構,通過力控制器和位置控制器能夠對腰椎患者進行腰部助力與牽引康復訓練。在腰椎外骨骼樣機研制中,通過工業設計對腰椎外骨骼樣機整體結構與控制器功能進行設計,優化使用者的穿戴體驗。最后,為了評估腰椎外骨骼對人體的輔助作用,設計了舉重實驗,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,實驗結果表明穿戴腰椎外骨骼能夠降低人體腰部肌肉使用情況,驗證了所設計的腰椎外骨骼對人體腰部具有輔助作用。