下肢外骨骼机器人机构设计与人体生物力学关系_潘大雷

图5 图3 人体步行时下肢主要自由度运动范围设 计 Bleex 时 ， 引 用 了 A.Winter 等 hip-flexion、knee、ankle 三个关节的运 [3,4,5] 。通过对比这三个 动角度随步态周期变化数据 关节的结果，我们发现软件的结果非常可靠，同时 我们还能得到其他任意关节的运动信息，和肌肉张 力等，是对外骨骼设计时的有益补充。 2.2 人体持重物仿真 设计外骨骼显然不是为了步行这么简单，更重 要的目的是负重。人持重物是人最常见的一种作业 方式，知道人体拿重物时哪些关节及哪些自由度的 力矩最大，消耗的能量最多，可以决定外骨骼的驱 动自由度和无驱动自由度。 图 4 是人拿一个 15kg 的正方体重物， 转动惯量 重心从右脚移到左 为 J {0.01,0.01,0.01}kg m ，
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图 6 是上肢 7 个自由度的力矩大小，其中 EF 是 ElbowFlexion，EP 是 ElbowPronation，GA 是 GlenohumeralAbduction，WA 是 WristAbduction， WF 是 WristFlexion，GF 是 GlenohumeralFlexion， GE 是 GlenohumeralExternalrotation 关节的缩写。 可 以看出来只有 GF 和 GE 关节力矩稍大，虽然是手 持重物，但是力矩比较大的关节是下肢。
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下肢外骨骼机器人机构设计与人体生物力学关系
潘大雷，高峰
（上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240，E-mail: pandalei100new@）
摘要：外骨骼可以增强人力量，近十年来飞速发展，但是其人体生物力学基础研究还不够。我们提出设计外骨骼机器人机构 时需要考虑的人体生物力学参数，简介了目前人体生物力学现状，但都未针对外骨骼机构设计研究，并指出了其研究方法的 缺陷。基于 Anybody 人体多肌肉骨骼软件仿真了人体最佳速度 1.3m/s 步行，验证了仿真软件的可靠性；同时又仿真了人持重 物摆动，得到各关节力矩、总功率和最大肌肉活性。该研究方法为进一步人体负重行为研究提供了可行性。 关键词：外骨骼；人体生物力学；anybody 中图分类号：TH132 文献标识码：A
图2
人体下肢多肌肉骨骼系统模型
图 3 是部分仿真结果，即人体步行时下肢主要 自由度运动范围。
图 5 是下肢 6 个自由度的力矩大小，其中 AE 是 AnkleEversion，AF 是 AnklePlantarFlexion，HA 是 HipAbduction，HR 是 HipexternalRotation，HP 是 HipFlexion，KF 是 KneeFlexion 关节的缩写。可 见 HF，HA，AF 和 KF 力矩很大，设计外骨骼加驱 动时，从这几个关节首选。
Abstract: Exoskeleton can enhance human power, which are developed fast in the past decade. But human biomechanics of exoskeleton research is far not enough. We propose human biomechanical parameters that the design of the exoskeleton robots need to consider, introduce the current status of human biomechanics, which were not for exoskeleton mechanism design and point out the defects of its research methods. Using anybody musculoskeletal software we simulate human walk with best speed 1.3m/s and verify the reliability of the simulation software; at the same time we simulate human holding heavy objects and get the joint moment, the total power and max muscle activity. The research method offers feasibility for the further study of human body carrying loads. Key words: Exoskeleton; Human biomechanics; Anybody
2 人体生物力学仿真分析
2.1 人体步行仿真 人体步行研究是下肢外骨骼机器人设计的基 础，做这个仿真可以与现行的 CGA 数据比对，验
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证仿真软件的可靠性。 如图 2，是一个身高约 1.78 米，步行速度约 1.3m/s 的下肢模型。
图4
人体持重物多肌肉骨骼系统仿真
The Relationship of the Lower Extremity Exoskeleton Mechanism Design and Human Biomechanics
PAN Dalei GAO feng (School of Mechanical and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)
Average Military Male Maximum 35° 38° 23° 24° 159° 125° not available 53° 31°
的速度、力矩和功耗。在这些方面，国际上对外骨 骼设计论证很少，所用数据大多是临床步态分析 （CGA）数据，这些数据本身并不具备普适性，也 没有考虑人体负载或其它步态，然而这些正是选择 驱动的人体生物力学条件。 1.3 人体负载行为研究方法及现状 外骨骼机器人目的是帮助人体承受负载，因此 人体负载行为研究是外骨骼设计的基础。 Everett Harman 请十一名男性志愿者水平跑步 机上走 1.34 米/秒，背着背包负载三种不同质量[12]， 分析人体负载时力在上肢和下肢的分布，大约 30% 的垂直力由腰背负担，上背部和肩膀支持其余的 70%。G. J. Bastien 通过小群体实验[13]研究了人体负 载时最佳的步行速度是 1.3m/s，负载的形式是背包 式，并且当负载的重量为人体重量的 1/4 时能够走 长远距离。Renee L. Attwells 通过个体人体实验[14] 研究了四种军用负载对士兵的姿态、动作和步态的 影响。Youlian Hong 基于大群体统计研究了儿童背 包时对步态和姿势的影响[15]，儿童上楼梯时负载及 负载方式对地面反作用力和步态相位的影响[16]。斯 坦福大学生物力学实验室 2007 年开发了 Opensim 软件，并且不断更新优化，可以研究各种步态；美 国 BRG 公司开发的 LifeMod 是 ADAMS 软件的外 插软件，可以建立任何生物系统的生物力学模型， 能够进行静力学、运动学和动力学分析；丹麦奥尔 堡大学开发了人体肌肉骨骼软件 anybody，是目前 市场上唯一可以分析完整的肌肉与骨骼的软件，可 以计算模型中各块骨骼、 肌肉和关节的受力、 变形、 肌腱的弹性能、反抗肌肉作用和其它对于工作中的 人体有用的特性等。 因此目前研究方法有三种，小群体的实验、大 群体的统计和人体软件仿真。小群体的实验通常是 挑 10-20 个具有代表性的人组成，可以做很多负载 行为的实验，但仍不具备普适性。大群体的统计虽 然具有普适性，但是研究的行为有限，能得到的数 据有限。随着计算机技术发展，人体软件仿真是近 些年来流行的新方法，可以利用统计学得到的人体 基本模型，加以负载和步态等行为，得到关节力矩 和功耗等，但人体实际是一个多骨骼肌肉系统，软 件模型的准确度是结果可靠性的决定因素。
anybody0前言外骨骼机器人是一种近十年来飞速发展的助力机器人可以帮助残疾人恢复健康也可以帮助工人军人等常人负更重的载荷作业而几乎感觉不到重量在工厂军队救灾等场合有极大用处是一种融合仿生学技术控制技术传感器技术驱动技术和材料技术等相关技术的高科技产品目前人体生物力学研究成果已有很多绝大多数是基于统计学或者少部分人群的人体活体实验但针对外骨骼机器人设计方面的研究还非常缺乏没有统一权威的设计指标和深入分析而且外骨骼技术远未成熟目前以研究下肢或部分关节的外骨骼居多
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动范围 。
表1 人体下肢主要关节与自由度最大运动范围
Ankle Flexion Ankle Extension Ankle Abduction Ankle Adduction Knee Flexion Hip Flexion Hip Extension Hip Abduction Hip Adduction
脚的仿真过程。
图6
人持重物上肢关节力矩
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图 7 是整个过程的功率变化图，在不考虑损失 的情况下，能量是守恒的。
[4] Adam B. Zoss ， H. Kazerooni and Andrew Chu. Biomechanical Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，vol.11，no.2，April 2006. [5] Andrew Chu ， H. Kazerooni ， and Adam Zoss. On the Biomimetic Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX). In Proc. IEEE ICRA，Barcelona， Spain，Apr. 18–22，2005，pp. 4345–4352. [6] 杨智勇，张静，归丽华，等. 外骨骼机器人控制方法综 述[J]. 海军航空工程学院学报，2009，24(5)：520-526. [7] 张煜. 踝关节康复医疗外骨骼系统开发研究[D]. 浙江： 浙江大学，2010. [8] 余伟正. 步行康复用踝关节系统的研究[D]. 上海：上海 大学，2009. [9] W. Woodson ， B. Tillman ， P Tillman, “Human Factors Design Handbook”，New York: McGraw-Hill，1992，pp. 550-552. [10] Zajac， F.E. Muscle and tendon: properties, models, scaling, and application to biomechanics and motor control. Critical Reviews Biomedical Engineering，vol. 17，pp. 359-411， 1989. [11] 赖庆仁，张学胜，赵永东，等. 负重外骨骼机器人液压 驱动系统的初步设计，液压与气动，2011，9：34-37. [12] Michael Lafiandra and Everett Harman. The Distribution of Forces between the Upper and Lower Back during Load Carriage. Medicine and science in sports and exercise， 2003，36(3): 460-467. [13] G. J. Bastien, P. A. Willems, B. Schepens, N. C. Heglund. Effect of load and speed on the energetic cost of human walking. Eur J Appl Physiol (2005) 94: 76–83. [14] Renee L. Attwells， Stewart A. Birrell， Robin H. Hooper. Influence of carrying heavy loads on soldiers' posture, movements and gait. Ergonomics ， 2006 ， 49(14) ： 1527–1537. [15] Youlian Hong ， Chi-Kin Cheung. Gait and posture responses to backpack load during level walking in children. Gait and Posture，2003，17：28-33. [16] Youlian Hong， Jing Xian Li. Influence of load and carrying methods on gait phase and ground reactions in children’s stair walking. Gait & Posture，2005，22：63–68. 作者简介：潘大雷，男，1989 年 09 月 29 日出生，博士研 究生，主要研究方向为并联机器人机构理论与外骨骼机器 人。
图1
人体下肢主要关节与自由度
理想状态下，设计下肢外骨骼机器人时，各个 关节的自由度运动范围不能超过人的生理极限，否 则可能造成使用者身体伤害。但需要注意的是，这 不是绝对的，很多情况下，为了使下肢外骨骼机构 有更好的柔顺性，尽可能模仿和适应人的生物力学 特性，有些自由度运动范围可能要比人的生理极限 大很多或者小很多。 1.2 外骨骼驱动的人体生物力学条件 人体关节运动机理是非常复杂的，一个关节运 动通常由多组肌肉、韧带和纤维交叉作用形成[10]， 任何人工的驱动只能是努力地去模仿，接近人体生 物力学特性。 目前外骨骼机器人驱动方式有液压[11]、 电机、气动。无论哪种驱动，都应该满足精度高、 重量轻、功耗小、输出力矩大、响应快、噪音低和 经济实惠等特点，但没有哪种驱动方式能够满足全 部的要求。原因一是由于各驱动方式本身的特性决 定，二是人体行为学研究还不完善。 一般外骨骼自由度特别多，每个都驱动不现 实，外骨骼的驱动应该满足各种人体行为下各关节
1 下肢外骨骼机构设计的人体生物力 学参数
目前世界上集中了最顶尖外骨骼技术的有雷 [2] 神公司的 XOS 系列 、美国伯克利大学的 BLEEX [3,4,5] [6] 和日本筑波大学的 HAL 系列 等； 国内还 系列 [7] 在初步探索阶段，有浙江大学杨灿军团队 和上海 [8] 大学钱晋武团队 等，他们大都取得一定的成果， 但是对于人体生物力学基础研究还不够。 1.1 运动关节和自由度 为了和人体下肢运动关节基本一致，如图 1， 下肢外骨骼机构运动主要包括髋关节的三个自由 度转动、膝关节一个自由度转动的和踝关节的三个 自由度转动，以及脚趾的一个自由度转动。如表 1， 为男性军人各关节自由度各运动方向平均最大运
0 前言
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最后基于 anybody 软件对人体生物力学做了例证仿 真。
外骨骼机器人是一种近十年来飞速发展的助力 机器人，可以帮助残疾人恢复健康，也可以帮助工 人、军人等常人负更重的载荷作业，而几乎感觉不 到重量，在工厂、军队、救灾等场合有极大用处， 是一种融合仿生学技术、控制技术、传感器技术、 [1,2] 驱动技术和材料技术等相关技术的高科技产品 。 目前，人体生物力学研究成果已有很多，绝大 多数是基于统计学或者少部分人群的人体活体实 验，但针对外骨骼机器人设计方面的研究还非常缺 乏，没有统一权威的设计指标和深入分析，而且外 骨骼技术远未成熟，目前以研究下肢或部分关节的 外骨骼居多。为此，我们提出下肢外骨骼机器人设 计时需要考虑的人体生物力学参数，并指出当前人 体生物力学研究对于外骨骼机器人设计的局限性，