腦癱兒童下肢康復外骨骼機器人設(shè)計與驗證

關(guān)鍵詞：腦癱康復訓練；下肢外骨骼；機械設(shè)計；控制系統(tǒng)

腦性癱瘓（簡稱腦癱，cerebralpalsy，CP）是目前造成兒童肢體殘疾的最常見疾病，主要表現(xiàn)為運動障礙，并且伴有感覺、知覺、認知、交流和行為障礙，以及癲癇和繼發(fā)性肌肉骨骼損傷等問題[1-3]。2013年，Oskoui等[4]的Meta分析結(jié)果顯示，國際兒童腦癱患病率約為0.21%。2021年，東南大學的Yang等[5]收集了我國1988—2020年出生的腦癱兒童的數(shù)據(jù)，進行了Meta分析，得出我國兒童腦癱患病率約為0.207%，且近年來，兒童腦癱患病率呈現(xiàn)上升趨勢。根據(jù)腦部受損部位的不同，腦癱可導致不同類型的運動障礙，包括痙攣性偏癱、四肢癱瘓等[6]。因此，腦癱患者普遍存在異常步態(tài)[7]。最常見的異常步態(tài)表現(xiàn)為“蹲伏步態(tài)”[8-9]，這一步態(tài)源于患者肌肉力量不足以支撐體重，且隨著患者年齡和體重的增加，蹲伏步態(tài)不斷嚴重，最終導致患者喪失運動能力。因此，腦癱患者在兒童時期通過康復訓練來保持或恢復其步行能力十分重要[10]。針對手術(shù)及物理治療等傳統(tǒng)康復手段存在高經(jīng)濟負擔、周期長等局限性，亟待創(chuàng)新康復治療手段。下肢外骨骼機器人通過仿生步態(tài)模擬技術(shù)，實現(xiàn)主動式下肢支撐與量化步態(tài)訓練的有機融合，其高強度重復訓練機制可有效促進運動功能重建。

近年來，國內(nèi)外許多機構(gòu)都開展了兒童下肢康復機器人的研究，部分產(chǎn)品已經(jīng)投入市場使用。Walkbot-K是Pamp;SMechanics公司為身高86～148cm的兒童設(shè)計的固定式下肢康復系統(tǒng)，由跑臺、重力補償系統(tǒng)、外骨骼3部分組成，可以根據(jù)患者病情使用被動、主動輔助、主動3種訓練模式[11]。Trexo是由TrexoRobotics公司推出的面向家庭康復的機器人，由助行器和4自由度外骨骼組成，具有多樣化的輔助支撐、個性化訓練參數(shù)設(shè)定、尺寸調(diào)節(jié)等功能[12]。ATLAS是由西班牙MarsiBionics公司開發(fā)的包含軀干的髖膝踝兒童外骨骼，單腿具有5個主動自由度和1個被動自由度，最新的ATLAS2030可實現(xiàn)自平衡控制，穩(wěn)定性高[13]。CPWalker是由西班牙國家研究委員會Bayon等研制的腦癱兒童平衡與行走輔助系統(tǒng)，由智能助行器和髖、膝輔助外骨骼組成，并且具有多模式界面控制，提升了腦癱兒童平均行走速度和步長[14]。在國內(nèi)，北京大艾機器人科技有限公司研發(fā)了Aiwalker兒童康復訓練機器人，該機器人具有鍛煉運動平衡協(xié)調(diào)控制能力[15]。布法羅機器人科技（成都）有限公司推出了AIDER下肢外骨骼的腦癱兒童版本，該機器人可幫助患兒實現(xiàn)起立坐下等動作，起到康復治療和助行的作用[16]。

上述兒童外骨骼產(chǎn)品的應(yīng)用證明了臺架式機器人對腦癱兒童下肢康復訓練有很好的效果，但很少有研究考慮到外骨骼機器人對下肢的適應(yīng)性。腦癱兒童由于腦部受損，常伴隨肌肉張力異常、姿勢控制和運動障礙，這些問題會影響肢體的正常發(fā)育，尤其是下肢。在長期的異常力量作用下，腦癱兒童的腿部發(fā)育可能出現(xiàn)畸形，如O型腿、X型腿和雙肢不等長[17]，因此，很多外骨骼無法適應(yīng)所有腦癱兒童的腿型，從而影響下肢康復治療的效果。

本文針對國內(nèi)CP兒童患者下肢外骨骼康復設(shè)備匱乏及其對下肢適應(yīng)性不足的問題，設(shè)計了一款適用于多種腿型的臺架式兒童下肢康復機器人。該系統(tǒng)由輔助小車和具備4個主動自由度的外骨骼機器人組成，并且包含多個橫向調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)，以適應(yīng)不同兒童的腿型。以腦癱兒童蹲伏步態(tài)改善與行走效率提高來驅(qū)動下肢外骨骼系統(tǒng)為具體研究對象，完成了康復機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計，并進行了實驗。

1人體下肢與CP患者運動能力分析

在人體運動過程中，下肢運動主要由3個關(guān)節(jié)產(chǎn)生，即髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。這些關(guān)節(jié)通過協(xié)調(diào)工作，使得人體可以完成多種復雜的動作，例如行走、跑步、跳躍和旋轉(zhuǎn)。髖關(guān)節(jié)的運動包括屈曲、伸展、外展、內(nèi)收、內(nèi)旋和外旋，見圖1（a）；膝關(guān)節(jié)則具有單一自由度，表現(xiàn)為屈曲和伸展；踝關(guān)節(jié)的運動包括背屈、跖屈及旋轉(zhuǎn)，見圖1（b）。下肢各關(guān)節(jié)的自由度使下肢能夠?qū)崿F(xiàn)多種復雜運動，也增強了下肢的穩(wěn)定性、靈活性和適應(yīng)性。

與關(guān)節(jié)運動形式相對應(yīng)的運動范圍如表1所示。關(guān)節(jié)運動范圍可以為機械結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計和仿真驗證提供依據(jù)，以確保機械結(jié)構(gòu)在各種工作條件下的安全性和可靠性。同時，這些運動范圍的精確設(shè)定，有助于避免極限位移帶來的機械損傷，從而提升設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。

CP患者的運動能力與運動損傷及相關(guān)缺陷對活動限制的影響程度有關(guān)，可以使用腦癱粗大運動功能分類系統(tǒng)（GMFCS）[19]來評估下肢損傷程度。CP患者GMFCS等級分類按照運動能力分為Ⅰ～Ⅴ級。Bjornson等[20]指出，改善日常行走活動表現(xiàn)的干預措施似乎在GMFCS水平為II、III級的CP青年中具有最大的改變潛力，CP兒童需要擁有輔助設(shè)備，為他們提供與同齡人同等的社區(qū)活動機會。本文則主要針對II、III級兒童，通過康復機器人幫助患者恢復正常行走能力。

2康復機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1外骨骼整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

下肢康復外骨骼機器人旨在輔助患者進行步態(tài)康復，其結(jié)構(gòu)設(shè)計需符合人體工學，以幫助患者恢復行動能力或輔助康復訓練。針對腦癱患者的蹲伏行動能力需求，基于SolidWorks建立了下肢外骨骼機器人的整機三維模型，如圖2所示，該模型由助行器模塊、康復訓練模塊、驅(qū)動控制模塊、防傾倒扶手和可伸縮輔助座椅組成。整體結(jié)構(gòu)大部分采用剛性連接，考慮到行走時的重心變化，在背負板與腰部綁縛之間使用了彈性連接，同時通過可伸縮輔助座椅使得重心分布更穩(wěn)定，避免重心過度偏移。

根據(jù)對腦癱患兒的異常運動模式及異常姿勢發(fā)病率的分析，建立關(guān)節(jié)運動功能與肌肉異常形式的映射，可知髖旋轉(zhuǎn)、髖收展、踝旋轉(zhuǎn)、踝翻轉(zhuǎn)相對于髖屈伸、膝屈伸、踝屈伸發(fā)生異常的概率低[21]。因此，綜合考慮結(jié)構(gòu)的復雜性和關(guān)節(jié)功能的重要性，最終選定矢狀面內(nèi)的髖屈伸、膝屈伸為主動驅(qū)動，髖旋轉(zhuǎn)、髖收展、踝旋轉(zhuǎn)、踝翻轉(zhuǎn)為被動矯正。外骨骼的總體結(jié)構(gòu)和自由度的示意圖如圖3所示。

2.2外骨骼驅(qū)動和調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

外骨骼結(jié)構(gòu)由驅(qū)動模塊和支撐調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。本文設(shè)計的外骨骼機器人驅(qū)動關(guān)節(jié)涵蓋了髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動機構(gòu)。以髖關(guān)節(jié)處為例，其爆炸示意圖如圖4（a）所示，髖關(guān)節(jié)處的電機固定在固定端支架上，電機輸出端連接在轉(zhuǎn)動端連桿上。單個關(guān)節(jié)驅(qū)動模組尺寸為90mm×40mm，質(zhì)量不超過1kg，結(jié)構(gòu)緊湊輕巧。同時還設(shè)計了機械限位結(jié)構(gòu)，從而有效防止外骨骼因超出人體運動范圍對兒童患者造成傷害。

為適應(yīng)兒童蹲伏步態(tài)，在髖、膝、踝關(guān)節(jié)處引入旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)裝置，如圖4（b）右側(cè)紅色框所示。該裝置由轉(zhuǎn)動副、快拆桿和鎖緊帽組成，只需調(diào)節(jié)快拆桿松緊即可改變角度，以方便用戶自行調(diào)整。此外，為適應(yīng)大小腿長度差異，使用了伸縮桿組件，如圖4（b）左側(cè)藍色框所示，包括內(nèi)、外桿和固定桿，調(diào)節(jié)機構(gòu)通過螺紋鎖緊固定，使伸縮桿組件可以方便地調(diào)節(jié)長度。圖中θ1、θ2分別為大腿、小腿可內(nèi)收和外展的角度。

基于上述調(diào)節(jié)機構(gòu)，對外骨骼結(jié)構(gòu)的不同腿型蹲伏步態(tài)進行優(yōu)化。受腦癱影響的兒童通常表現(xiàn)出異常的肌張力，這可能導致運動范圍縮小、肌肉攣縮和關(guān)節(jié)畸形。因此，外骨骼的設(shè)計需要考慮每個孩子的個體需求，以確保其最佳運動范圍。圖5（a）和圖5（b）分別表示與人體相適應(yīng)的大、小腿外骨骼調(diào)節(jié)機構(gòu)，該機構(gòu)可以內(nèi)收和外擴，角度調(diào)節(jié)范圍為±20°以內(nèi)，從而可以根據(jù)蹲伏步態(tài)患者的特點進行調(diào)整。長度調(diào)節(jié)機構(gòu)如圖5（c）所示，其調(diào)節(jié)范圍為74～85cm。經(jīng)計算可知，該機構(gòu)適用于身高140～160cm的患者，有較好的通用性。

2.3升降和髖距調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

為了適應(yīng)不同患者的穿戴需求，在助行器上也設(shè)計了升降調(diào)節(jié)機構(gòu)和髖距調(diào)節(jié)機構(gòu)，如圖6所示。升降調(diào)節(jié)機構(gòu)有20cm的調(diào)節(jié)空間，由高度調(diào)節(jié)裝置、調(diào)節(jié)定位孔和車架組成；髖距調(diào)節(jié)機構(gòu)左右各有6cm的調(diào)節(jié)空間，由扶手板和調(diào)節(jié)定位孔組成。為了保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，兩處調(diào)節(jié)機構(gòu)均使用螺栓固定，為腦癱患者提供足夠的支撐，同時滿足身高140～160cm患者的穿戴要求。

2.4外骨骼有限元分析

為了評估外骨骼可擴展設(shè)計的負載支撐能力，對結(jié)構(gòu)件進行有限元分析。本文設(shè)計的外骨骼由6061-T6型高強度航空鋁合金制成，其極限拉伸強度為205MPa以上，剪切屈服強度為228MPa。為了觀察外骨骼的強度，在每個元件的頂部持續(xù)施加50N的靜態(tài)力。外骨骼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和線性位移的有限元分析結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明：在矢狀面施力時，大腿鋁制件和小腿復合材料件的應(yīng)力分別為129MPa和187MPa，冠狀面最大應(yīng)力分別為219MPa和172MPa；在兩方向上的位移分別為大腿1.22、2.01mm，小腿1.29、11.18mm。外骨骼的應(yīng)力和變形均在材料許用范圍內(nèi)，滿足剛度和強度要求。

3康復機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖8所示，采用主從分布式架構(gòu)，系統(tǒng)通過中央控制單元控制外骨骼機器人的各關(guān)節(jié)運動，傳感器反饋用戶狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)對參考軌跡的跟蹤與調(diào)節(jié)。中央控制單元以C#上位機電腦為核心，主要功能為運行控制程序、接收和發(fā)送操作指令、實現(xiàn)機器人的協(xié)調(diào)控制；人機交互單元包括遙控器、觸摸顯示屏等，用于醫(yī)生輸入控制指令和設(shè)置患者康復參數(shù)等；運動控制單元主要包括單片機上的CAN通信模塊、Coply伺服驅(qū)動器和為機器人通過CAN通信進行關(guān)節(jié)運動的直流無刷電機；數(shù)據(jù)采集單元由數(shù)據(jù)采集控制模塊、膜片壓力傳感器、拉力傳感器、角度傳感器和限位開關(guān)組成，主要功能為采集患者的足底壓力信息、識別患者的運動意圖、讀取電機轉(zhuǎn)動角度、限制患者運動范圍。

3.2控制系統(tǒng)程序設(shè)計

控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖9所示。首先進行各功能模塊的初始化，初始化完成后外骨骼系統(tǒng)會返回零位，而后醫(yī)師可以設(shè)定步速、步頻等康復訓練參數(shù)，并決定是否開始訓練。在訓練開始后，主機的控制頻率為500Hz，即每5ms向關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊發(fā)送一次指令，同時關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊會將當前電機參數(shù)反饋給上位機。訓練過程應(yīng)用了KMP（kernelizedmovementprimitive）算法[22]，通過該算法匹配外骨骼用戶的個性化步態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以逐步學習用戶的運動習慣，優(yōu)化外骨骼的動作適應(yīng)性，使其更貼合用戶的運動需求，從而提升康復效果。

3.3基于KMP算法的在線步態(tài)規(guī)劃仿真

首先需要根據(jù)示教數(shù)據(jù)建立高斯混合模型（Gaussianmixturemodel，GMM）[23]，示教數(shù)據(jù)包括髖、膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，對GMM進行參數(shù)初始化，將示教數(shù)據(jù)分成基于時間的數(shù)據(jù)集，經(jīng)過數(shù)據(jù)集訓練得到參考軌跡，如圖10所示。參考軌跡主要基于正常兒童的步態(tài)數(shù)據(jù)，因此適用于肌張力較低的患者。對于肌張力較高的患者，還需進一步收集相關(guān)數(shù)據(jù)以優(yōu)化參考軌跡的適用性。隨后在參考軌跡的基礎(chǔ)上進行KMP在線規(guī)劃。本文采用的步態(tài)相檢測算法分別識別步態(tài)周期中的4個步態(tài)相：足尖離地（TO）、足跟觸地（HS）、平足（FF）和足跟離地（HO）[24]。在步態(tài)周期內(nèi)，將步態(tài)相（HS/FF/HO/TO）及其軌跡信息作為期望點，用于在線調(diào)整參考軌跡，同時保持軌跡形狀。通過調(diào)節(jié)協(xié)方差和系數(shù)實現(xiàn)軌跡的精度控制。流程如下：使用GMM和回歸生成參考軌跡，通過步態(tài)檢測構(gòu)建期望點，將其與參考軌跡一起輸入到KMP算法中得到預測軌跡。傳感系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，上位機分析誤差，更新期望點，輸出新的預測軌跡，并與參考軌跡結(jié)合生成擴展軌跡，如圖11所示。

從圖11可以看出，隨著期望點數(shù)量的增加，在線規(guī)劃到下一個步態(tài)相之前的軌跡與參考軌跡之間的誤差不斷減小。這表明，期望點越多，規(guī)劃的軌跡與使用者的實際步態(tài)越契合，并且可以繼續(xù)應(yīng)用于下一個步態(tài)周期。針對每個步態(tài)周期中的步態(tài)相及其相應(yīng)的步態(tài)角，在每個步態(tài)相出現(xiàn)時進行在線軌跡規(guī)劃，可以有效減小迭代后的預測軌跡與人體實際軌跡之間的位置誤差，從而根據(jù)運動意圖調(diào)整步態(tài)軌跡。

4實驗分析

4.1外骨骼關(guān)節(jié)軌跡跟蹤實驗

基于上述機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計，初步完成了兒童下肢移動式康復外骨骼機器人樣機的研制。為了確保外骨骼在多種條件下的有效性和可靠性，需要驗證本文方法的多周期規(guī)劃能力，圖12為各個關(guān)節(jié)多周期的步態(tài)軌跡。當下一個周期運行到相應(yīng)軌跡后，系統(tǒng)會根據(jù)參數(shù)生成相應(yīng)的運動軌跡，再配合控制算法使外骨骼可以運行相應(yīng)軌跡。圖中的紅色虛線代表期望角度，是各個關(guān)節(jié)按照本文提出的算法所規(guī)劃的角度；藍色虛線代表外骨骼實際運行時的角度。經(jīng)過對比，每個周期都可以根據(jù)跟蹤情況對外骨骼的行走進行學習更新，保證曲線更加適合穿戴者。因此，本方法可以有效地對外骨骼運動軌跡進行實時規(guī)劃。

4.2基于KMP算法的步態(tài)擬合效果分析

以三次樣條曲線法作為對比，兩種擬合方法的比較如圖13所示，通過各關(guān)節(jié)角度曲線的余弦相似度（見表2）評估其學習能力。經(jīng)過對比，本文提出的方法在余弦相似度上優(yōu)于三次樣條曲線法，因此，本文方法更具優(yōu)勢。此外，從兩種方法擬合的曲線細節(jié)來看，三次樣條曲線雖然更加光滑，但未能有效地反映被擬合曲線的細節(jié)。誤差收斂的現(xiàn)象并不明顯，這主要是因為高斯回歸學習得到的初始參考軌跡已經(jīng)是一條通用軌跡，因此在軌跡自適應(yīng)過程中不需要過多調(diào)整。此外，人類行走時每一步都不可能完全相同，因此即使在收斂之后，生成軌跡的誤差也會有所波動。盡管誤差有所波動，但收斂軌跡與期望軌跡基本吻合。總體來看，本文方案具備出色的運動學習能力，能靈活響應(yīng)變化。由實驗結(jié)果可得，步態(tài)軌跡可以通過算法與期望點進行個性化軌跡調(diào)節(jié)。

5結(jié)論

以腦癱兒童的康復訓練需求出發(fā)，設(shè)計了一款臺架式下肢康復外骨骼機器人，從人體下肢與CP患者運動能力分析、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計和實驗分析4個方面介紹了研究工作。機械結(jié)構(gòu)上采用移動小車式助行器結(jié)合4主動自由度外骨骼，保證了安全性和對腿部的適應(yīng)性；控制系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了精確協(xié)調(diào)控制。并且，通過實驗驗證了設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的有效性。同時通過引入KMP算法，提升了兒童康復過程中的運動舒適性。該設(shè)備不僅彌補了目前康復設(shè)備對不同腿型適應(yīng)性差的問題，還增強了康復效果，具有廣闊的應(yīng)用前景和社會意義。未來工作將側(cè)重于進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，并探索更多的智能控制策略，以適應(yīng)更復雜的步態(tài)訓練需求。