基于OpenSim的下肢外骨骼机器人仿真研究

史传棋,韩亚丽,常佳辰,孙 翰,金壮壮,朱文亮

(南京工程学院机械工程学院, 江苏 南京 211167)

人体肌肉骨骼仿真系统主要用于帮助运动障碍患者、偏瘫患者康复机器人设计过程中的安全性舒适性验证和生物力学分析[1-8].本文针对人体肌肉骨骼系统自由度多而复杂、外骨骼与人体关节动态匹配度不高、研发周期长、康复指标不完善等问题[8],通过搭建基于OpenSim的人机耦合模型,以完全无创的方式研究受试者个体在康复过程中的肌肉能量募集和生物力学变化,从而达到有效提高康复医疗机器人研发迭代效率和为下肢外骨骼的优化设计提供理论支撑的目的.

尽管计算机辅助建模技术可以在构建外骨骼物理原型时评估外骨骼与人体骨骼模型间的相互作用力,但人体肌肉骨骼模型的动力学冗余使得建立准确的人机接触和人机协同运动模型十分具有挑战性.国外学者利用OpenSim探究了不同条件下外骨骼机器人与人体肌肉骨骼模型产生的相互作用关系[9-11];国内学者对OpenSim建模理论和过程进行了详细介绍[12];李琳杰等利用OpenSim生物力学仿真方法建立了下肢肌肉骨骼模型,并采用基于动态优化的方法对跟腱负荷和肌肉跟腱的拉伸进行生物力学分析[13];周瑞创建了行走与奔跑状态下的人机耦合模型,并通过肌肉计算工具分析了各肌肉力、能量代谢变化及其全部肌肉总能量变化,验证下肢外骨骼机器人对人体的作用[14].

本文设计模块化下肢康复外骨骼,并基于Matlab和OpenSim搭建人体肌肉骨骼穿戴下肢康复外骨骼的耦合模型[15];通过分析工具输出对比穿戴外骨骼前后人体肌肉力、肌肉激活度的变化和人机关节的扭矩变化,以更好地理解肌肉骨骼系统与外骨骼接触时的生物力学行为.

1 下肢康复外骨骼模型设计

下肢康复外骨骼设计用于辅助髋关节和膝关节屈曲伸展,设计目的是保持设备的大部分重量在近端髋关节周围,同时向远端膝关节提供所需的扭矩.为满足拟人化设计需求,参照《中国成年人人体尺寸》标准[16],选取女性身高尺寸的第5百分位数和男性身高尺寸的第95百分位数作为外骨骼各部件的尺寸设计参照,得到外骨骼机器人的髋关节尺寸调节范围在282～374 mm,大腿尺寸调节范围在318～381 mm,小腿调节范围在340～385 mm.考虑所设计的机器人结构需满足便携性和易穿戴的特性,其主要支撑杆件和伸缩模块选择强度高、密度小、抗腐蚀的T6061铝合金材料.图1为经过简化以强调主要设计部件的外骨骼整机模型.

图1 下肢康复外骨骼模型(mm)

2 人机耦合模型搭建

在Matlab与OpenSim的联合仿真环境中搭建人体-外骨骼耦合模型(见图2).通过OpenSim API库中的函数和类建立Matlab中调用OpenSim类库的通信链接;使用Matlab脚本将下肢康复外骨骼零件的物理参数(质量和惯性)在Matlab中进行定义;由Matlab加载OpenSim提供的人体模型;通过创建合适的关节将每个外骨骼部分按次序依次添加到人体骨骼模型中.

人体模型通过弹簧阻尼器与外骨骼相互作用,所有的人机相互作用点上都添加弹簧-阻尼元件和相互作用力、力矩传感器.每条腿总共有3个动力自由度(髋关节屈曲、伸展,膝关节屈曲、伸展和踝关节跖屈、背屈)和2个被动关节(髋关节旋转和踝关节内收、外展).为简单起见,仿真模拟只考虑外骨骼矢状面的运动.

弹簧-阻尼元件(Bushingforce)有3个平动与旋转自由度.在受约束的情况下,Bushingforce可在穿戴外骨骼的特定位置点上产生6个自由度的平移、旋转约束力,并约束2个不同的对象于一点.图2为人体外骨骼协同运动仿真耦合模型和Bushingforce添加的位置.

图2 人体-外骨骼耦合模型

在OpenSim仿真流程中,对图1所示的外骨骼模型,首先需要通过SimTrack核心将肌肉骨骼模型进行运动学标定缩放,以获得匹配目标对象生理尺寸的高精度运动学数据;然后将反解的目标对象关节的解算数据与采集的试验数据进行对比修正,获得较为精确的人体关节转角数据;通过残差缩减算法(residual reduction algorithm,RRA)降低正向运动学的计算误差[17],以保证稳健行走状态下的肌肉骨骼模型能够成功解算并输出正确结果.为量化RRA输出结果的准确度,本文根据图3所示的用于评估结果的阈值范围表[18],将耦合模型残差缩减结果进行对比参照,残余力与残余力矩随时间的变化曲线如图4所示.

由图4可见,肌肉骨骼模型正向运动学输出的残余力Fy的变化区间与残余力矩My的变化区间均在“GOOD” 阈值评估范围内,残差缩减输出的结果和耦合模型质量能够评价为良好,耦合模型的精准性能够支撑最终仿真结果.

图3 人机耦合模型RRA结果的阈值评估范围

(a) 残余力

(b) 残余力矩

3 下肢肌肉特性变化研究

3.1 人体下肢逆运动学仿真

降低残余力和残余力矩对运动学计算的影响后,为计算穿戴外骨骼行走过程中的肌力变化及能量消耗,人机耦合模型需要再次通过SimTrack的肌肉控制计算算法(CMC)来规划运动过程中各个肌肉的激活值,并进行激活值的闭环伺服控制以保证仿真过程中的关节转角完美跟踪RRA算法后的输出.每一时刻人体肌肉所产生的肌肉力量主要受激活值A、肌肉单元标准化长度L和肌肉单元标准化速度V这3个变量影响.肌肉骨骼模型的关节扭矩变化一方面反映了人机耦合模型的工作状态,另一方面宏观反映了多块肌肉节律性收缩以驱动骨骼绕关节协同运动的情况.

如图5所示,肌肉骨骼模型右支撑腿的髋膝关节扭矩受外骨骼重力的影响幅度变化较大,腿部屈伸肌群、双关节肌肉的肌肉激活程度大幅提高,关节扭矩在肌群作用下明显呈现增长趋势.此时,右髋关节伸展肌和膝关节屈曲肌节律性收缩产生瞬时肌力驱动骨骼绕髋膝关节运动,产生力矩以维持步态过程中的动态平衡.左摆动腿在外骨骼被动状态下各髋膝关节的输出扭矩均降低约50%.左右踝关节的输出扭矩在运动过程中均有小幅度的增加.

图5 耦合模型中关节扭矩变化曲线

3.2 耦合模型肌肉活动特性研究

肌肉激活的变化对于下肢肌肉力量在穿戴外骨骼状态下的变化具有指导意义,且每一时刻人体肌肉所产生的肌肉力量都由激活值、肌肉单元标准化长度和肌肉单元标准化速度3个变量共同决定[19].本文选择3块右腿前侧单关节肌肉(最右列腰大肌、股外侧肌和胫骨前肌)、3块双关节肌肉(中间列股直肌、股外侧肌和腓肠肌内侧头)、3块腿后侧单关节肌肉(最左列臀大肌、股二头肌短头和比目鱼肌)作为主要分析对象,如图6所示.

图6 右大腿肌肉激活曲线

在SimTrack的肌肉控制计算运动前期过程中,两股伸膝肌、右股外侧肌与股直肌通过收缩产生伸展肌力,驱动膝关节伸展以维持下肢平衡.步态周期中期到后期,股直肌以其相对较高的产力能力在肌肉骨骼模型受到外部运动阻碍作用时激活大幅度增长超过50%并与股外侧肌协同辅助膝关节维持运动平衡.图7中股外侧肌肌肉力量的变化曲线直观地反映了两股伸膝肌在运动过程中发挥的作用,在只作为辅助运动肌肉.股二头肌短头与半膜肌位于大腿后侧,同属腘绳肌肌群.股二头肌短头于前期膝关节伸展阶段肌肉激活度呈现下降趋势,此时右髋关节伸展,半膜肌肌肉激活增长明显,肌力增涨速度加快.步态周期后期,股二头肌短头与半膜肌共同驱动膝关节屈曲,两股肌肉激活度显著提高.此时股二头肌短头的肌肉激活度增长明显且肌力募集速度加快.整个运动过程中,股直肌与半膜肌肌力增长趋势近乎一致.臀大肌肌群在前期髋关节屈曲阶段肌力下降速度较快,后期髋关节伸展,臀大肌肌肉激活度显著提高,肌力下降速度减慢.腰大肌与髂肌一起合称为髂腰肌,与股二头肌、半膜肌一起起到屈曲髋关节的作用,并作为主要发力肌肉维持上身的平衡稳定.

图7 右大腿肌力曲线

分析图6、图7可知,人机耦合模型整体肌肉力量在穿戴外骨骼的影响下都有不同程度的增长或降低,但右支撑腿整体肌肉力变化趋势与正常情况下相似.由于外骨骼限制了人体髋关节的外展内收和外旋内旋活动,大腿上臀大肌、股直肌、腰大肌和半膜肌受外骨骼影响最明显.在步态周期后期,右腓肠肌内侧头尽管不再负责产生踝关节跖屈力矩,但为维持重心稳定,它仍然被提高激活度以辅助人体膝关节屈曲.

基于以上分析可知,穿戴外骨骼且无有效主动辅助情况下,基于OpenSim搭建的肌肉骨骼模型的整体肌肉力量增长超过50%.相较于肌肉骨骼模型的直接负重仿真,人机耦合模型的仿真更加直观地反映出当前外骨骼的可穿戴性能和迭代优化方向.

4 结语

本文针对目前外骨骼机器人迭代周期长、无法直观分析其对人体肌肉骨骼影响的问题,进行穿戴无辅助下肢外骨骼在行走过程中对人体生理影响的研究.通过OpenSim搭建包含下肢外骨骼在内的肌肉骨骼模型,并从肌肉激活、肌肉代谢和肌力变化角度分析了无辅助状态下穿戴外骨骼行走对肌肉骨骼模型的影响.分析结果说明,由于外骨骼的质量惯性以及人机耦合模型的约束限制,肌肉骨骼模型行走主要肌群的平均活动水平显著增加、整体肌肉力量大幅增长.通过对人机耦合模型的仿真研究,为下肢外骨骼的优化设计提供了理论支撑.后续将基于Matlab和OpenSim研究不同康复场景下外骨骼对肌肉骨骼模型的人机交互影响以及外骨骼控制器的设计以及优化.