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赵毅阳,张 豪,李俊邑,刘 兵,刘 冰,袁 博
(重庆理工大学 机械工程学院, 重庆 400054)
膝关节是人体最大、结构最为复杂的关节,起到了支撑上肢重量和缓冲的作用,同样也是人体运动最容易受到伤害的关节之一[1]。消防队员和军事人员通常要携带超过30 kg的设备或物资执行任务,会极大的增加体能消耗,同时也增加了骨骼肌受损伤的风险[1-2]。有研究表明,当人体处于连续上楼梯时,会增加人体的能量代谢[3],膝关节承受的力量大约为人体自重的2倍[4],并且当人体在负重的情况下,在楼梯间行走时,膝关节所承受的负荷会大大增加,对膝关节会造成极大的损伤[5]。此外,生活中还有很多膝关节损伤的患者,如骨性关节炎、髌骨软化症和半月板损伤等疾病造成患者膝关节行走能力退化[6]。经预测,在2050年,我国65岁以上人口将达到3.34亿人[7],未来劳动力会出现短缺,所以,更加需要关注年轻劳动人群的膝关节健康情况和老年人膝软无力的情况。在这种情况下,就需要使用主动式下肢助力外骨骼增强人体的下肢力量和耐力,预防和缓解膝关节的疲劳病变。
主动式下肢助力外骨骼是一种人体可穿戴式的机械装置,并联于人体的下肢,可用于增强或是恢复人体的运动能力[8-9],也可以为膝关节功能障碍的患者进行步态康复[10-12],它可以根据人体的运动意图进行肢体跟随并为下肢助力或支撑。Maclean等[13]做了在不同场景下穿戴膝关节外骨骼的能量代谢实验,尝试了在户外更加真实的场景下去进行实验,实验结果说明当膝关节需要更大的正向机械功时,膝关节外骨骼才可以降低代谢消耗,并且在户外测试时,受试者无法达到代谢稳定状态,难以对能量成本数据进行统计;杨灿军等[14]设计了一款柔性膝关节保护外骨骼,在支撑期具有刚性,在摆动期具有柔性,可在运动中对膝关节负载减重及助力;刘王智懿等[15]设计了一款采用鲍登绳柔性驱动的下肢助力外骨骼,采用传统的PID控制驱动系统,并进行了平路行走的能量代谢实验有效证明穿戴此外骨骼降低代谢15%以上。
本课题组研究了一款主动式膝关节助力外骨骼,但目前为止,国内外对下肢助力外骨骼开展的性能评估研究不够全面。为进一步弄清楚人体使用主动式膝关节助力外骨骼在连续上楼梯、单步上台阶和深蹲起时的助力机制和改进方向,本研究对其进行综合助力性能评估。
1.1 受试外骨骼
本款受试外骨骼是根据人上楼梯的步态行为以及我国人体工程学中人体测量学的特征,自主研发设计的主动式膝关节助力外骨骼,可在上台阶过程中对膝关节进行助力,同时缓解膝关节所受到的压力,该外骨骼自重10 kg,续航时间最长可达到4 h,最大输出转矩为15 N·m,尺寸大小可调,能适应身高为165～190 cm的人。
受试外骨骼结构布局如图1所示,受试外骨骼由背部的主动式卷线驱动器、钢丝线管传动机构、腿部刚性执行机构、钢丝滑轮、鞋套和绑缚组成。主动式卷线驱动器由无刷电机、卷线盘和并联扭簧构成,通过增加弹性元件,可确保钢丝在电机不助力时,保持紧绷状态,避免钢丝松弛而引发系统不确定性。通常外骨骼的驱动部分都放在关节处,虽然提高了执行机构的效率,但也增加了关节的负担,增加了人体下肢摆动惯性,灵活性较低。为此,主动式卷线驱动器放置于人体背部,可有效减轻膝关节处的负担。采用钢丝线管的传动方式,这种方式可有效降低外骨骼结构的复杂性,钢丝绳柔性驱动不仅结构紧凑灵巧而且承载力较大,可靠性较好。
图1 膝关节助力外骨骼结构布局示意图
1.2 电机驱动助力模型建立
受试外骨骼采用的无刷电机并联卷簧机构,以卷线盘缠绕柔性钢丝,通过钢丝将拉力柔性传递至外骨骼膝关节处,以图2建立电机输出转矩和外骨骼膝关节转矩关系式为:
(1)
式中:i为传动比;TK为外骨骼膝关节转矩;TM为电机输出转矩;r1为卷线盘半径;r2为膝关节的旋转半径。
图2 并联弹性驱动结构示意图
电机角速度和膝关节角速度关系式为:
(2)
式中:wK为膝关节角速度;wM为电机角速度。
其中人体膝关节角速度公式为:
(3)
式中:Δθ为上台阶过程中膝关节的变化角度;ΔΤ为单侧腿上台阶周期。
按照中国成年人的平均身高为175 cm计算[16],人体上台阶部分参数和外骨骼参数如表1所示。
表1 人体上台阶部分参数和外骨骼参数
将表1中参数r1、r2、Δθ和ΔΤ代入式(2)(3)联合求解,可得到上台阶膝关节极限角速度为8.38 rad/s、传动比为3.06和电机的角速度为25.64 rad/s,由此对电机进行选型,选型电机参数常转矩为6 N·m,电机转速为300 r/min,可满足转速需求,根据电机常转矩TM为6 N·m,代入式(1)可得外骨骼膝关节转矩TK为18.36 N·m。
为了进一步获取受试外骨骼膝关节的理论助力效率可用式(4)计算。
(4)
式中:η为外骨骼膝关节理论助力效率;TN为上台阶时人体的膝关节转矩。
当人上楼梯时,主要是由股四头肌为膝关节提供力矩TN,用于克服人体重量,其中TN可通过大腿等长肌力测试求得,等长肌力是指肌肉收缩时,在长度不变情况下,对抗阻力的静力性力量。可通过大腿等长肌力测试测出人体膝关节转矩。测试样本量为6名男性,分别对其左、右腿进行大腿等长肌力测试,测试工具:拉力传感器和绳带;测试方法[17]如图3所示,受试者坐于凳椅上,绳带一端绑系在受试者踝关节处,绳带另一端绑系在拉力传感器处,从凳椅下伸出,拉力传感器由辅助人员拉住使绳带绷直,受试者伸直腿,股四头肌静态发力,通过拉力传感器测出股四头肌的等长肌力,以踝关节至膝关节距离为力臂长度,结果如表2所示,计算出人体膝关节转矩约为 77.61 N·m。
图3 等长肌力测试场景图
表2 大腿等长肌力测试
可由式(4)求得外骨骼膝关节的理论助力效率约为23.66%,表明人体穿戴受试外骨骼上台阶理论上可降低穿戴者约23.66%的膝关节转矩。
1.3 受试者
本实验共招募6名成年男性为受试者,平均年龄:23岁,平均身高:(171.5±5.4)cm,体重:(69.3±3.3)kg,外骨骼样机可调节尺寸范围满足所有受试者,具体身体信息如表3所示。所有受试者测试前均未报告患骨骼肌肉疾病。受试前实验员对受试者进行外骨骼穿戴使用培训,并告知受试者所有测试项目流程及细节,所有受试均自愿参与测试。
表3 受试者身体信息
1.4 实验设备及材料
1.4.1代谢成本测试
代谢成本测试采用德国Carefusion公司的运动心肺功能测试仪Oxycon Mobile,该设备可实时采集运动过程中耗氧量、二氧化碳呼出量、心率等生理数据。
1.4.2肌肉活动测试
肌肉活动测试采用美国的Noraxon MyoMuscle多路肌电信号采集系统,该设备可进行运动过程中肌电信号实时采集。
1.5 实验方法
本实验通过对比分析有无主动式膝关节助力外骨骼在连续上台阶的综合代谢成本、单步上台阶、深蹲起的局部肌肉活动,综合评估该外骨骼性能。
综合代谢成本测试:为了评估该外骨骼对穿戴者连续爬升过程的综合助力效能,通过以下实验,对穿戴外骨骼和无外骨骼状态下,受试者综合代谢成本指标进行对比。受试者需要在2种受试条件下,连续以每分钟56步的速度上台阶,进行10 min代谢成本的实验。实验顺序为随机态进行,每个受试者连续进行3 d的重复实验[18],避免偶然性,并且受试者在每种条件进行实验前,需测量静息状态下的代谢成本,以消除累计疲劳造成的误差,测试现场如图4所示。每位受试者分别在两组实验之间休息60 min以上,以保证受试者的体能恢复。
图4 受试者连续上台阶实验图
局部肌肉活动测试:为了评估该外骨骼对膝关节的局部助力效能,通过以下实验,对穿戴外骨骼和无外骨骼状态下,受试者的股四头肌肌电信号进行对比,股四头肌由股直肌、股外侧肌、股内侧肌以及股中间肌组成,由于股中间肌被股直肌覆盖,无法直接测取股中间肌表面肌电信号,故本次实验不再测量股中间肌。测试前先用酒精棉球涂抹测试肌肉部位,去除皮肤表面油污等杂质,减少肌电信号采集中皮肤阻抗的影响,然后沿着肌肉纤维方向贴好电极片[19],固定好信号采集器。① 爬升单步台阶实验:受试者在穿戴外骨骼或不穿戴外骨骼的状态下,分别爬升15、30、45 cm的单层台阶,相同动作重复8次,由此获得多组相同条件下的爬升台阶腿部肌电信号。试验中规定每个人确定自己的惯用腿作为上单级台阶时的前迈腿,在爬升的过程中,不带有任何助跑或先微蹲蓄力的动作,并且尽量减少后迈小腿的蹬踏动作。其试验过程中的运动姿态如图5(a)所示;② 深蹲起实验:受试者穿戴或不穿外骨骼坐下到30 cm高度的台阶上,待坐姿稳定后,再双腿发力直至站立,相同动作重复进行8次,由此获得多组相同条件下的深蹲起腿部肌电信号,其试验过程中的运动姿态如图5(b)所示。
图5 单步上台阶和深蹲起实验图
1.6 数据处理方法
1.6.1综合代谢成本测试
在每种受试条件下,取最后2 min的耗氧量和二氧化碳呼出量作为平均值,根据Collions等[20]的研究,利用公式(5)获取每种受试条件下的代谢功率,再减去每次开始前静息实验的代谢功率,获取每种受试条件下的净代谢功率。
(5)
式中:H为单位质量净代谢功率,W/kg;VO2为净耗氧量;VCO2为净二氧化碳呼出量, mL/s;m为受试者的体重,kg。
1.6.2肌肉活动测试
通过Noraxon-DTS采集系统的运动数据同步,将受测处肌肉的肌电信号进行带通滤波(低频阈值20 Hz,高频阈值300 Hz),正值整流,以及均方根平滑处理。本实验提取肌电信号时域特征均方根值(root mean square,RMS),RMS可描述受测处表面肌电信号在一定时间内的集中程度,以此来反映上台阶或深蹲起过程中肌肉的发力情况。该信号处理过程的具体计算公式如下:
(6)
式中:xi为一个采样点幅值;(i=0,1,2,…,N-1)为一长度为N的时间序列。本实验中设计的肌电信号采样频率为1 500 Hz;RMS采样周期窗口为500 ms。
另外,由于不同受试者之间采集到的表面肌电信号存在较大的差异性,为了将多位受试者的实验结果进一步平均和综合分析,在得到个体发力的RMS值后,还采用了归一化处理。具体归一化处理方式是计算上台阶时肌电信号均方根值占统计采集的个人最大肌电信号均方根值的百分比。
(7)
式中:RMS%为归一化处理后的肌电信号均方根值;RMSi是受测处表面肌电信号均方根值;RMSMax是统计所得个人受测处最大肌电信号均方根值。
本研究中出现的降低比例、升高比例和助力效率η通过式(11)计算而来。
(8)
式中:Wn指无外骨骼时的生理指标测量值;Wy指穿外骨骼的生理指标测量值,该生理指标测量值在肌电信号测试中为归一化处理的肌电均方根值,在代谢成本测试中为单位质量净代谢功率。
2.1 代谢成本测试
首先对受试者重复性实验的数据进行单因素方差分析和组内相关系数检验,单因素方差分析(ANOVA)可用于研究多次实验的数据之间是否有显著性差异,组内相关系数(ICC)可用于评价多次实验中同一数据测量结果的一致性。所有受试者数据均具有正态分布性和方差齐性,对耗氧量、二氧化碳呼出量和单位质量净代谢功率的单因素方差分析以及组内相关性检验结果,如表4所示,耗氧量、二氧化碳呼出量和单位质量净代谢功率在3次实验之间均不存在显著性差异,且都存在较高一致性,说明各个受试者在重复3次的代谢成本实验中数据结果基本一致,不存在显著性差异。
表4 耗氧量、二氧化碳呼出量和单位质量净代谢功率的单因素方差分析以及组内相关性
在穿戴和不穿外骨骼条件下,受试者连续上台阶的耗氧量、二氧化碳呼出量和单位质量净代谢功率数据,如表5和图6所示。在无外骨骼时,平均耗氧量为(27.13±1.58)mL/(kg·min),穿戴外骨骼时,平均耗氧量为(28.00±1.71)mL/(kg·min),平均升高了3.21%(p=0.25);在无外骨骼时,平均二氧化碳呼出量为(24.37±1.48)mL/(kg·min),穿戴外骨骼时,平均二氧化碳呼出量为(24.68±1.75)mL/(kg·min),平均升高了1.27%(p=0.62);通过代谢功率公式计算得平均代谢功率升高了2.8%(p=0.30),且在穿戴外骨骼和不穿戴外骨骼条件下均无显著性差异。
表5 连续上台阶过程中的代谢成本指标
图6 代谢成本指标数据直方图
2.2 肌肉活动测试:
1)爬升单步台阶实验:本测试采集了无外骨骼和穿戴外骨骼在不同高度台阶时股直肌、股外侧肌、股内侧肌的肌电信号,实验结果见表 6和图 7,爬升15 cm台阶时,其中股直肌肌肉活动平均降低40.30%(p=0.026),股外侧肌肌肉活动平均降低19.93%(p=0.008),股内侧肌肌肉活动平均降低28.51%(p=0.001);爬升30 cm台阶时,其中股直肌肌肉活动平均降低29.81%(p=0.022),股外侧肌肌肉活动平均降低8.31%(p=0.155),股内侧肌肌肉活动平均降低18.36%(p=0.034);爬升45 cm台阶时,其中股直肌肌肉活动平均降低20.75%(p=0.017),股外侧肌肌肉活动平均降低14.08%(p=0.006),股内侧肌肌肉活动平均降低14.15%(p=0.028)。在穿戴外骨骼较无外骨骼上台阶过程中,股直肌、股外侧肌和股内侧肌的肌肉活动均有降低。除30 cm台阶条件下的股外侧肌外,穿和不穿外骨骼条件对各受测肌肉的影响均存在显著性差异。
2) 深蹲起实验:本测试采集了无外骨骼和穿戴外骨骼在30 cm高度台阶深蹲起时股直肌、股外侧肌和股内侧肌肌电信号,实验结果如表7和图8,其中股直肌肌肉活动平均降低34.18%(p=0.003),股外侧肌肌肉活动平均降低28.53%(p=0.025),股内侧肌肌肉活动平均降低18.87%(p=0.033)。在穿戴外骨骼较无外骨骼深蹲起过程中,股直肌、股外侧肌和股内侧肌的肌肉活动均有降低,且穿和不穿外骨骼条件对各受测肌肉的影响均存在显著性差异。
表6 爬升单步台阶实验中受测肌肉的电信号实验结果
表7 深蹲起实验中受测肌肉的电信号实验结果
图7 单步台阶局部肌电信号数据直方图
图8 深蹲起局部肌电信号数据直方图
根据人体代谢成本的3次重复性实验结果,对耗氧量、二氧化碳呼出量和单位质量净代谢功率进行单因素方差分析和组内相关系数检验,由检验结果可知,3次实验之间不存在显著性差异,并存在一致性,故可验证多次实验避免了偶然现象,使单次的实验结果真实可靠。
根据代谢成本测试的数据结果可知,使用外骨骼在连续上台阶过程中平均增加了穿戴者耗氧量3.21%、二氧化碳呼出量1.27%,单位质量净代谢功率2.8%;根据肌肉活动测试结果,爬升单步台阶:穿戴外骨骼后的股直肌、股外侧肌和股内侧肌的发力普遍要低于未穿外骨骼时相同动作的发力程度。从数据上可以看到,随着台阶的增高,人体大腿的肌电信号强度逐渐增强,在穿戴外骨骼后,大腿的肌电信号强度普遍有所降低,说明外骨骼对于上台阶普遍具有局部助力作用。深蹲起:从数据可以看出,穿戴外骨骼后股直肌、股外侧肌和股内侧肌的肌肉活动量普遍降低。由结果可知,外骨骼平均降低大腿肌群24.4%的肌肉活动量,可直观反应测试中穿戴外骨骼降低了穿戴者膝关节转矩,且符合预期膝关节的理论助力效率。外骨骼虽然在整体上未降低穿戴者的单位质量净代谢功率,但外骨骼能明显降低人体大腿肌肉群的峰值发力程度,说明外骨骼对于穿戴者具有局部助力作用。
在6位受试者的代谢测试结果中发现存在助力正效果和负效果的现象,以表 8中受试者3和受试者5的代谢测试结果数据为例,受试者3使用外骨骼进行代谢测试,结果显示增加了3.13%的单位质量净代谢功率,受试者5使用外骨骼可降低2.29%的单位质量净代谢功率。在连续上台阶的过程中,存在许多影响代谢成本的因素,步态的适应性、外骨骼的自重、穿戴者的心理因素以及外骨骼绑缚的舒适度都会对穿戴者造成影响。
表8 部分受试者的代谢测试结果
由于外骨骼的自重是无法忽略的,受试者在穿戴外骨骼进行实验时增加了自身的负重,外骨骼在对人体进行助力时,同时也要抵消外骨骼自重的影响。猜想可能是由于外骨骼的自重影响了实际的整体助力效果。由于外骨骼在不开启助力的状态下,膝关节处存在阻抗会对穿戴者施加阻力。因此,设计一组对照试验进行分析,由于外骨骼样机自重10 kg,选取4名受试者进行不穿戴外骨骼且背负10 kg的负重进行连续爬台阶的代谢成本实验,模拟只穿戴外骨骼而不开启助力时的无阻抗状态,并与穿戴外骨骼的数据进行对比,结果如表9和图9。
表9 对照试验连续上台阶过程中的 代谢成本指标
在负重10 kg时,平均耗氧量为(29.43±1.23)mL/(min·kg),穿戴外骨骼时平均耗氧量为(28.00±1.71)mL/(min·kg),平均降低了4.42%;在负重10 kg时,平均二氧化碳呼出量为(26.45±1.81)mL/(min·kg),穿戴外骨骼时,平均二氧化碳呼出量为(24.68±1.75)mL/(min·kg),平均降低了6.69%;通过代谢功率公式计算得平均代谢功率降低了5.27%,说明外骨骼对穿戴者提供了一定的助力,抵消了一部分外骨骼自重的影响。
图9 对照试验连续上台阶过程中的代谢成本 指标直方图
综上所述,受试外骨骼可为穿戴者提供有效的局部助力,且助力效率基本符合预期的理想助力效率,在受试者上单层台阶和深蹲起的过程中,可有效降低股直肌、股外侧肌和股内侧肌的肌肉活动量,同时由于外骨骼的自重影响了实际的整体助力效果。
1) 受试外骨骼在连续上台阶的实验中未能显著降低穿戴者的综合代谢成本。根据对照试验结果分析,这主要源于外骨骼自重不能忽略,在外骨骼助力的同时也增加了穿戴者的负重,暴露出外骨骼为穿戴者提供的助力难以抵消自重带来的影响,因此,外骨骼需要进一步进行轻量化设计。
2) 在爬升单步台阶和深蹲起的过程中,外骨骼可有效降低穿戴者股直肌、股外侧肌和股内侧肌的肌肉活动量,降低穿戴者膝关节的转矩,基本符合预期的理想助力效率η,对下肢运动具有显著的局部助力效果。
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