李玟卓，喻洪流，王多琎

1.上海理工大学 康复工程与技术研究所（上海，200093）

2. 上海康复器械工程技术研究中心（上海，200093）

0 引言

近年来，穿戴式下肢外骨骼康复机器人的发展十分迅速，国内外已经出现许多辅助截瘫患者进行日常活动及康复训练的穿戴式下肢外骨骼机器人。此类可穿戴设备直接与使用者接触，使用者需要随时与其进行交互，因此，其使用安全性是设计过程中首要考虑的问题。但目前国内外针对穿戴式下肢外骨骼康复机器人安全测试的研究相对较少，且多数是以下肢运动功能障碍患者为中心，对受试者进行临床试验来评估设备的安全性。如王一鸣［1］以5 大舒适度指标为基准，细化了多个二级指标，建立了一套完整的外骨骼机器人舒适度评价体系；康乾［2］对下肢外骨骼机器人的综合性能进行分析，其中包括关于部分安全性的评估。

为此，我们设计了一种针对穿戴式下肢外骨骼康复机器人的测试平台，确定了测试平台的功能，进行了测试平台的模块化设计，聚焦于下肢外骨骼关节驱动力矩的检测。由于外骨骼的驱动力矩较难通过测试平台直接获取，因此，本研究建立了外骨骼-假人耦合动力学模型，基于测试平台直接获取的关节运动数据，对外骨骼进行关节力矩的解算。

1 测试平台设计要求

根据对现有穿戴式下肢外骨骼康复机器人可能存在的安全问题进行归纳总结，确定了测试平台的设计要求及功能，如表1 所示。

表1 测试平台设计要求Tab. 1 Design requirements for test platform

2 测试平台模块化设计

测试平台主要由测试用假人与支撑框架两部分组成，支撑框架将测试假人悬挂并在水平与竖直方向上调节假人的位置，测试平台整体模型如图1 所示。测试假人结构设计如图2 所示，主体由大小腿及足部模块、关节模块、躯干模块、各传感器模块、气动制动器模块与驱动模块组成。

图1 测试平台整体模型图Fig.1 The model of the test platform

图2 测试假人结构设计Fig.2 Structural design of test dummy

假人下肢尺寸参考中国成年人人体尺寸标准，假人模拟80～100 kg 人体的下肢重量。假人下肢共有14 个关节自由度，关节处加装角度传感器，以检测外骨骼运行时各关节运动参数的变化。足底薄膜压力传感器与躯干处位移传感器模块用以检测行走时的平稳性。膝关节处的气动制动模块可模拟不同肌力的下肢功能障碍患者的痉挛状态，从而测试痉挛保护功能。髋关节处驱动模块可模拟偏瘫患者下肢残余肌力，从而检测下肢外骨骼的力交互性能。

在对穿戴式下肢外骨骼进行测试实验时，下肢外骨骼通过绑带固定在测试用假人腿部外侧，并将假人腿部各关节与下肢外骨骼各关节的转动中心对齐。下肢外骨骼驱动测试假人在跑步机上行走，以此进行各项安全测试实验。

2.1 运动参数测试模块

为了检测穿戴式下肢外骨骼辅助患者行走时的安全性，在假人的髋、膝、踝关节各活动自由度处加装角度传感器，测得各关节运动角度、角速度与角加速度等运动参数的变化，从而评估各关节活动的安全性。

为了准确测量各运动参数，对测试假人进行拟人化设计。测试假人腿部长度可以调节，需满足GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸》中的要求［3］；假人腿部质量设置参考市面上不同下肢外骨骼康复机器人可承受的最大人体质量，即80～100 kg 的人体对应的下肢质量，在假人下肢各体段质心处施加配重块以调解质量。测试假人腿部的各部件参数设置如表2 所示。

表2 测试假人参数Tab. 2 Parameters of the test dummy

2.2 平稳性测试模块

通过在假人的躯干移动端部位安装位移传感器，可以测量假人在行走时其重心在竖直方向的位移变化，在假人足底部安装薄膜压力传感器，可检测步态周期内足底各接触点的受力情况，得到测试假人在下肢外骨骼辅助其行走时的重心变化，以此来分析穿戴式下肢外骨骼康复机器人在运行时的平稳性。

2.3 痉挛保护测试模块

为了检测穿戴式下肢外骨骼机器人在运行时应对患者突发痉挛状态的保护机制，测试假人需模拟患者突发痉挛状态。痉挛保护测试模块由膝关节转动轴处连接的制动摩擦盘与固定在大腿模块处的气动夹钳组成。通过一些临床研究可知［4-6］，偏瘫患者的伸曲肌力矩不超过60 N·m，气动夹钳可以提供的可调节制动扭矩范围在0～74 N·m。通过控制气动夹钳开合使得膝关节产生制动扭矩，模拟患者突发痉挛状态，以测试外骨骼机器人应对突发痉挛状态的保护机制。

2.4 力交互性能测试模块

目前一些穿戴式下肢外骨骼机器人适用于偏瘫患者（偏瘫患者下肢仍有一些微弱的残余肌力），当偏瘫患者穿戴下肢外骨骼行走时，人体与下肢外骨骼之间的力交互性能也是评估其安全性的关键因素。通过在假人单侧腿髋关节屈伸方向上的驱动模块，模拟偏瘫患者下肢的残余肌力，以测试设备对于下肢残余肌力的适应性与力交互性。偏瘫患者髋关节矢状面上力矩不超过0.2 N·m/kg［7-8］，考虑到假人髋关节处有限的安装空间，驱动模块由盘式电机、谐波减速器与离合装置组成，盘式电机的额定转矩为269 mN·m，谐波减速器减速比为120，可满足模拟偏瘫患者髋关节0～20 N·m 的可调驱动力矩。当无需检测力交互性能时，则可通过离合装置断开电机传递的驱动力。

3 测试假人外骨骼耦合动力学建模

穿戴式下肢外骨骼机器人各关节的驱动力矩是应该考虑的一项安全指标，即机器人实际提供的驱动力矩应满足所需的力矩值。然而，目前通过测试平台直接测得关节力矩精确值较为困难，因此采取对测试假人与下肢外骨骼进行耦合动力学建模。当下肢外骨骼机器人驱动测试假人运动时，通过动力学方程计算得到下肢外骨骼各关节的驱动力矩，从而判断实际的关节力矩值是否达到其所提供的关节力矩值。

人体下肢的运动是在三维平面中进行的，三个平面分别划分为：矢状面、冠状面和水平面［9］。由于目前下肢外骨骼康复机器人大多只在矢状面上具有驱动力，因此本研究的动力学模型也是在矢状面上建立的。

人体步行过程是一个周期性运动，一个步态周期可以划分成支撑相和摆动相两种状态，支撑相约占完整步态周期的60%，摆动相约占完整步态周期的40%。其中，支撑相也被划分为单腿支撑与双腿支撑，摆动相又被划分为摆动初期、摆动中期与摆动后期。在求解关节力矩的过程中，只考虑单侧腿一个完整运动周期内的运动。如图3、图4 所示，对单腿摆动相与单腿支撑相两种模式进行动力学建模，求解下肢关节力矩。由于单腿支撑相的建模过程与单腿摆动相的方法类似，在此以单腿摆动相为例给出动力学方程推导过程。

图4 单腿支撑状态Fig.4 Single leg stand state

理想状态下，将下肢外骨骼固定在测试假人的腿部，各关节的转动中心重合，并且杆件间不会发生相对位移。将假人-外骨骼耦合模型简化为矢状面上的3 杆模型：L1、L2和L3分别为耦合模型各节段的长度;d1、d2和d3分别为耦合模型各节段的质心位置;θ1、θ2和θ3分别为耦合模型各节段的转角；m1、m2和m3分别为耦合模型各节段的质量。通过图3 可以得到各杆件质心在坐标系中的位置，从而得到杆件的动能与重力势能计算式如下：

图3 单腿摆动状态Fig.3 Single leg swing state

其中：

利用拉格朗日法建立测试假人腿部动力学模型，得到的拉格朗日动力学方程如下：

式中：EK为动能总和，EP为势能总和。拉格朗日动力学方程为

式中：θi为动能和势能的广义坐标，θi的导数为广义速度；τi为各关节力矩。

通过拉格朗日动力学方程，可以得到单腿摆动模型的动力学模型为：

式中：M(θ) 是3×3 的正定对称质量（转动惯量）矩阵；H( )为3×3 离心力和科氏力相关项矩阵；G(θ) 为3×1 的重力列矩阵； 和T分别代表单腿广义的关节角度、角速度、角加速度和关节力矩。

利用Matlab 软件对单腿摆动相和单腿支撑相的动力学方程进行计算，得到所需要的髋、膝、踝关节力矩。选取CGA 步态数据库中步速为0.5 m/s 的关节角度数据，以此模拟下肢外骨骼驱动测试假人行走的运动状态。对各关节的角度数据分别进行一阶、二阶求导，得到髋、膝、踝关节的角速度与角加速度，如图5 所示。

图5 各关节角度、角速度与角加速度曲线Fig.5 Angle, angular velocity and angular acceleration at each joint

通过上述求出的动力学方程，将髋、膝、踝关节角度、角速度、角加速度与腿部杆件各参数带入方程中，利用Matlab 计算并绘制下肢外骨骼单侧腿在一个完整的步态周期中的髋、膝、踝关节力矩曲线，如图6 所示。图中求解的关节力矩为重量10～30 kg 的下肢外骨骼机器人的关节力矩变化范围。在测试时，下肢外骨骼所提供的理论驱动关节力矩值应满足求解出的实际关节力矩值，从而判断其关节驱动力矩符合标准。

图6 各关节力矩曲线Fig.6 Torque trend of each joint

4 结语

本团队针对穿戴式下肢外骨骼康复机器人的安全性测试指标进行规划，并设计了相应的安全测试平台。平台采用测试假人代替受试者进行实验测试，通过集成在测试假人关节处的传感器模块对下肢运动参数进行实时监测；模拟患者的突发痉挛状态及下肢残余肌力状态，测试机器人的痉挛保护能力以及力交互性能。由于外骨骼的关节驱动力矩难以直接测得，本研究通过建立假人-外骨骼耦合动力学模型，以求解下肢外骨骼各关节的实际驱动力矩。在对外骨骼进行安全测试时，将外骨骼提供的关节力矩值与上述解析法获得的实际关节驱动力矩进行对比，从而判断其关节驱动力矩是否符合标准。本测试平台的开发在穿戴式下肢外骨骼康复机器人安全性研究领域具有一定的创新性，可为后续的相关研究提供参考。