柔性多关节外骨骼肌肉系统设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：
2. 引言

随着经济与医疗卫生的发展，许多国家都开始面临人口老龄化的问题。联合国定义的老龄化社会是一个地区65岁以上人口占总人口的7%，及该地区视为进入老龄化社会。截止2018年，我国60周岁及以上人口2.49亿人，占总人口的17.9%，已远远超过联合国标准。预计在未来几年我国的老龄化程度将会加速加深，2025年60周岁及以上人口将接近4亿，成为超老年型国家，再考虑70年代末，我国计划生育工作力度加大，在2040年我国人口老龄化将达到顶峰^[3]。老年人随着年龄的增长，身体机能会不断退化，有时会对日常活动造成影响，需要有人照顾。人口老龄化的到来，劳动力的减少，对我国的宏观经济、养老服务体系带来了巨大的挑战^[4]。柔性外骨骼凭借其自身的优势在助老助残，减轻穿戴者运动负担等方面具有广阔的应用前景^[5]。

1. 行走过程分析

为了更好的对人的行走过程进行助力，减轻肌肉的负担，分析行走过程中不同阶段的肌肉活动情况是十分必要的。

• 1. 下肢行走运动分析。

对于行走的研究，一般是按照步行周期（复步giait cycle,GC）进行分析。通常将行走看做是行走周期（一复步）的连续重复。以下肢右侧为例（图1），一复步是从右脚脚跟着地到该足跟再次着地。其中一复步又分为支撑相（站立相）和摆动相。支撑相是下肢接触地面并承受重力的时相，是一只脚从足跟着地到足趾离地的过程，约占60%GC。这一阶段又分为5个环节：足跟着地、足掌着地、支撑中期、足跟离地、足趾离地。摆动相是从足趾离地到同侧足跟再次着地的过程，约占40%GC。这一环节又分为摆动相早期、摆动相中期和摆动相末期。

图1 步行周期

人类的行走需要多肌肉多关节的协同参与，是一项非常复杂的活动。这种复杂源于肌肉对体内关节运动的力无法直接测量。研究人员通过分解肌肉对地面反作用力的贡献，发现人类行走可以分为支撑和推进。其中身体支撑主要是由股四头肌、臀大肌、臀中肌、臀小肌、腓肠肌和比目鱼肌完成的；身体向前推进主要是由股四头肌、臀大肌、腓肠肌和比目鱼肌分时发力，协同完成的。同时研究人员发现尽管同一个人的行走速度有快有慢，但是完成支撑和行走的肌肉只是系统性地增加，它们的相对贡献值几乎保持不变^[6]。通过分析步行过程中的表面肌电图或动态肌电图，与步行周期相结合，可以得出主要肌肉群在步行过程中的活跃时期和相应的作用（表1）。

表1 步行过程中主要肌肉群活跃时期及相应作用

图2 主要肌群步行肌电图

结合表1和图2可以看出，在步行过程中，相比于摆动相，肌肉群在站立相更为活跃。在站立相这一过程中完成的主要动作为伸髋、伸膝、跖屈。可见若要设计帮助行走的下肢柔性外骨骼系统，应将关注点集中在这一环节。

• 1. 下肢行走肌肉分析

柔性外骨骼相比于刚性外骨骼的优点除了质量轻，还有更重要的一点就是由于以人本身的关节为转动支点，所以不会使用者自身的运动造成阻碍。为了更好的达到这一目的，并且减轻相应肌肉的负担，了解相关肌肉的特点和分布情况十分必要。

如2.1节所述，在行走过程中活跃的主要肌肉有，股四头肌、臀大肌、腓肠肌和比目鱼肌。其中股四头肌为跨双关节肌肉^[7]，主要功能为屈髋与伸膝，在摆动相末期、首次着地至支撑相中期的作用为伸膝，在足跟离地至摆动相早期的作用为屈髋和伸膝；腘绳肌由股二头肌、半腱肌、半膜肌组成，是跨双关节肌肉群，主要功能为伸髋屈膝，在摆动相的末期的末期的作用是屈膝，在足跟着地后和支撑中期为伸髋；在腓肠肌和比目鱼肌的中，腓肠肌为跨双关节肌肉，主要作用为踝关节跖屈和膝关节被动伸直，当踝关节负重并固定时，腓肠肌收缩可以牵拉股骨下端和胫骨的上端，使膝关节被动伸直，在支撑相中期至蹬离，其一直收缩。

应该注意到下肢分布有大量的跨双关节肌肉，这使很多肌肉收缩时并非只有单一的一个动作，而是相应的两个动作。作者认为在设计柔性外骨骼系统时应充分参考这种分布方式，简化系统。

1. 国内外柔性外骨骼研究现状

早在1965年美国的通用电气就研制了一套名为Hardiman的外骨骼装置，近年来随着材料、控制的发展，外骨骼发展十分迅速。有时刚性助力外骨骼关节轴线与人体关节产生偏离，导致产生了较大的附加力矩^[1]。在某些领域，为了避免这一问题，展开了对柔性外骨骼的的研究。这些产品在一定程度上都达到了这一目的并且对人有一定的助力效果。目前下肢的柔性外骨骼的助力关节主要分为单关节和多关节，驱动方式主要分为流体驱动和电机驱动。下面列举一些关于下肢柔性外骨骼的优秀作品。

• 1. 髋关节助力系统

髋关节由髋臼和股骨头构成，是多轴球窝关节，有三个自由度，可以前屈后伸、内收外展、内旋外旋运动^[6]。在行走过程中，主要是进行前屈和后伸，此类助力系统主要是帮助抬腿和扩大行走的步幅，是帮助步行周期的摆动期。其中以日本中央大学和日本九州大学研制的髋关节柔性外骨骼性能较好。日本中央大学研制的外骨骼采用直纤维气动人工肌肉为驱动单元，通过拉动相应节点辅助大腿前屈。当在跑步机上的的行走速度为0.97m/s时，平均步长增加23mm^[8]。日本九州大学的外骨骼的布置方式与中央大学类似，只是将驱动改为电机，将力矩的传递单元改为柔性布带。其可以在步行速度为1.14m/s时使代谢平均消耗减少5.9%^[9][10]。

• 1. 膝关节助力系统

膝关节由股骨下端、胫骨上端和髌骨构成，是人体最复杂的关节。膝关节有一个自由度，可以做前伸后屈运动，但是它是一个转动轴随着屈伸不断变化的转动副^[6]。刚性的外骨骼也是因为膝关节的这个特性才会出现外骨骼关节轴线与人体关节轴线不对齐的现象。全球有很多家科研机构都进行了相应的研发，其主要结构分为两种。一种是如日本中央大学，采用柔性构件代替刚性结构，将柔索或人工肌肉产生的拉力直接连接到膝关节^[11]；一种是如韩国首尔大学^[12]或大连理工大学，将气囊固定在膝关节附近，当气囊充气时，利用自身的弧度帮助膝关节伸屈。

• 1. 踝关节助力系统

踝关节亦称距小腿关节，是由胫骨、腓骨下端的距骨滑车构成，近似单轴的屈戌关节。踝关节是广义的球副，具有三个自由度，可以完成跖屈背屈、旋内旋外、内翻外翻运动^[6]。大部分柔性外骨骼对踝关节的助力都是在跖屈阶段，其中麻省理工大学研制的移动式踝助力外骨骼，以电机为驱动单元，可以在行走速度为1.4m/s时降低人体代谢消耗11plusmn;4%^[13]。值得一提的是美国卡内基梅隆大学和北卡罗来纳州独立大学共同研发出的一种无动力踝关节外骨骼--ExoBoot。小腿着地后肌肉是等长收缩产生力的，也就是说在此过程中虽然其并不做功，但是还是需要消耗大量的能量。据此他们设计了ExoBoot，它虽然并不做有效功但是可以在部分程度上代替小腿肌肉工作，减小整体的代谢速率。目前它可以减少行走过程中7%的代谢值，相当于从身上卸下4.5千克的负载。

• 1. 多关节协同助力系统

多关节协同助力系统不再单独的对某一关节进行助力，而是通过研究步行过程中各关节的相对关系，通过某种控制策略，对多个关节同时助力。这种系统主要用于帮助健康人群，提高他们的行走能力。其主要驱动方式仍然分为电机驱动与气压驱动。美国哈佛大学设计了两代柔性下肢助力外骨骼Soft exosuit。其中第一代由气动人工肌肉为驱动单元，通过拉紧释放相应节点完成对髋关节、膝关节、踝关节的助力。第二代为电机驱动，通过鲍登线传递力，主要助力髋关节和踝关节。可以在1.5m/s负重23.4kg的条件下减小人体平均代谢14.2plusmn;6.1%^[14][15]。国内也有众多高校研制了气动人工肌肉为驱动的下肢多关节的柔性外骨骼。由于需要气泵的原因，这些外骨骼大都只能在试验台上行走、测试。

1. 总结

无论是国内还是国外，有关下肢柔性外骨骼的设计还有很多。其中有相当多的设计是单关节、拮抗式布置驱动系统的。但是根据对人的行走过程进行分析，发现这种布置方式其实和人自身的肌肉相去甚远，而且这样布置会增加附加质量，甚至有的还会限制关节的屈伸角度。这样的设计没有展现出柔性外骨骼应有的特点与优势。笔者认为，现在最好的关于助力正常人行走的下肢柔性外骨骼装置为美国哈佛大学设计的第二代Soft exosut和美国卡内隆基大学和北卡罗来纳州独立大学设计的ExoBoot。这两款设计都十分贴合人体行走时本身的肌肉特点。Soft exosuit布置的柔性连接布带和鲍登线几乎是沿着下肢相关肌肉布置的。ExoBoot更是根据行走时小腿肌肉为等长收缩，并不做有效功设计出了无源的助力装置。可以看出，若要设计出合适的助力系统，需要充分了解人的行走特点、肌肉发力特点。

参考文献[1] 李剑锋,李国通,张雷雨,杨东升,王海东.穿戴式柔性下肢助力机器人发展现状及关键技术分析[J/OL].自动化学报:1-12[2019-03-15].https://doi.org/10.16383/j.aas.c180286.[2] 巩永强.柔性人工肌肉的静动态特性及研究应用[D].南京：东南大学，2017.[3] 郝福庆,王谈凌,鲍文涵.积极应对人口老龄化的战略思考和政策取向[J].宏观经济管理,2019(02):43-47 61[4] 曹献雨,睢党臣.人口老龄化背景下我国养老问题研究趋势分析[J].经济与管理,2018,32(06):25-30.[5] Jesacute;us Ortiz, Tommaso Poliero, Giovanni Cairoli, Eveline Graf,Darwin G. Caldwell.Energy Efficiency Analysis and DesignOptimization of an Actuation System in a SoftModular Lower Limb Exoskeleton. IEEE Robotics and Automation Letters, 2018 .484-491[6] 许贻林. 肌肉对行走过程中身体支撑和向前推进作用研究进展:基于正向动力学步态模拟研究[A]. 中国体育科学学会运动生物力学分会.第十五届全国运动生物力学学术交流大会（CABS2012）论文摘要汇编[C].中国体育科学学会运动生物力学分会:中国体育科学学会运动生物力学分会,2012:1.[7] 柏树令,应大君,丁文龙,刘学政,孙亚浩.系统解刨学[M]:第八版.人民卫生出版社.51-59.[8] Kawamura T, Takanaka K, Nakamura T, Osumi H. Devel-opment of an orthosis for walking assistance using pneu-matic artificial muscle: a quantitative assessment of the ef-fect of assistance. In: Proceedings of the IEEE InternationalConference on Rehabilitation Robotics. Seattle, WA, USA:IEEE, 2013. 1minus;6[9] Li Y, Hashimoto M. Design and prototyping of a novellightweight walking assist wear using PVC gel soft actua-tors. Sensors and Actuators A Physical, 2016, 239: 26minus;44[10] Li Y, Hashimoto M. PVC gel soft actuator-based wearableassist wear for hip joint support during walking. Smart Ma-terials and Structures, 2017, 26(12): 125003[11] Mohri S, Inose H, Yokoyama K, Yamada Y, Kikutani I,Nakamura T. Development of endoskeleton type knee auxil-iary power assist suit using pneumatic artificial muscles. In:Proceedings of the IEEE International Conference on Ad-vanced Intelligent Mechatronics. Alberta, Canada: IEEE,2016. 107minus;112[12] Park D, In H, Lee H, Lee S, Koo I, Kang B B, et al. Pre-liminary study for a soft wearable knee extensor to assistphysically weak people. In: Proceedings of the InternationalConference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence.Kuala Lumpur, Malaysia: IEEE, 2014. 136minus;137[13] Mooney L M, Rouse E J, Herr H M. Autonomous exoskele-ton reduces metabolic cost of walking. In: Proceedings ofthe Engineering in Medicine and Biology Society. Chicago,IL, USA: IEEE, 2014. 3065minus;3068[14] Asbeck A T,De Rossi S M M D, Holt K G, Walsh C J. A bio-logically inspired soft exosuit for walking assistance. Interna-tional Journal of Robotics Research, 2015, 34(6): 744minus;762[15] Panizzolo F A, Galiana I, Asbeck A T, Christopher S, KaiS, Kenneth G H, et al. A biologically-inspired multi-jointsoft exosuit that can reduce the energy cost of loaded walk-ing. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, 2016,13(1): 43资料编号：[176817]

1. 文献综述（或调研报告）：
2. 引言

随着经济与医疗卫生的发展，许多国家都开始面临人口老龄化的问题。联合国定义的老龄化社会是一个地区65岁以上人口占总人口的7%，及该地区视为进入老龄化社会。截止2018年，我国60周岁及以上人口2.49亿人，占总人口的17.9%，已远远超过联合国标准。预计在未来几年我国的老龄化程度将会加速加深，2025年60周岁及以上人口将接近4亿，成为超老年型国家，再考虑70年代末，我国计划生育工作力度加大，在2040年我国人口老龄化将达到顶峰^[3]。老年人随着年龄的增长，身体机能会不断退化，有时会对日常活动造成影响，需要有人照顾。人口老龄化的到来，劳动力的减少，对我国的宏观经济、养老服务体系带来了巨大的挑战^[4]。柔性外骨骼凭借其自身的优势在助老助残，减轻穿戴者运动负担等方面具有广阔的应用前景^[5]。

1. 行走过程分析

为了更好的对人的行走过程进行助力，减轻肌肉的负担，分析行走过程中不同阶段的肌肉活动情况是十分必要的。

• 1. 下肢行走运动分析。

对于行走的研究，一般是按照步行周期（复步giait cycle,GC）进行分析。通常将行走看做是行走周期（一复步）的连续重复。以下肢右侧为例（图1），一复步是从右脚脚跟着地到该足跟再次着地。其中一复步又分为支撑相（站立相）和摆动相。支撑相是下肢接触地面并承受重力的时相，是一只脚从足跟着地到足趾离地的过程，约占60%GC。这一阶段又分为5个环节：足跟着地、足掌着地、支撑中期、足跟离地、足趾离地。摆动相是从足趾离地到同侧足跟再次着地的过程，约占40%GC。这一环节又分为摆动相早期、摆动相中期和摆动相末期。

图1 步行周期

人类的行走需要多肌肉多关节的协同参与，是一项非常复杂的活动。这种复杂源于肌肉对体内关节运动的力无法直接测量。研究人员通过分解肌肉对地面反作用力的贡献，发现人类行走可以分为支撑和推进。其中身体支撑主要是由股四头肌、臀大肌、臀中肌、臀小肌、腓肠肌和比目鱼肌完成的；身体向前推进主要是由股四头肌、臀大肌、腓肠肌和比目鱼肌分时发力，协同完成的。同时研究人员发现尽管同一个人的行走速度有快有慢，但是完成支撑和行走的肌肉只是系统性地增加，它们的相对贡献值几乎保持不变^[6]。通过分析步行过程中的表面肌电图或动态肌电图，与步行周期相结合，可以得出主要肌肉群在步行过程中的活跃时期和相应的作用（表1）。

表1 步行过程中主要肌肉群活跃时期及相应作用