趙智睿 李 醒 張 航 劉明芳 馬天華 郝麗娜

(1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 沈陽 110819； 2.東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院， 東莞 523808；3.東北大學(xué)流程工業(yè)綜合自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽 110004)

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展[1-3]，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。負(fù)重彎舉動(dòng)作是人類日常生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)中較為常見運(yùn)動(dòng)行為之一，具有無法替代性。因此，有效預(yù)防肩袖損傷是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)面對(duì)的一項(xiàng)難題。

外骨骼機(jī)器人是預(yù)防負(fù)重彎舉動(dòng)作中發(fā)生肩袖損傷的一種嘗試。相關(guān)研究表明，外骨骼機(jī)器人(exoskeleton)可以有效改善穿戴者的運(yùn)動(dòng)能力，提高人體負(fù)載極限[4-8]。按驅(qū)動(dòng)方式的不同，外骨骼機(jī)器人可分為電動(dòng)式[5]、液壓式[6-7]與氣動(dòng)式[8-9]。傳統(tǒng)的外骨骼機(jī)器人通過剛性結(jié)構(gòu)包裹穿戴者的上肢、下肢或全身，跟隨穿戴者的動(dòng)作并提供輔助動(dòng)力[4]。其主要用于增強(qiáng)穿戴者的負(fù)載能力，但其本體質(zhì)量較大[5-6]。各關(guān)節(jié)的有效力矩不僅用于承擔(dān)外部負(fù)載，還需要提供外骨骼機(jī)器人本體的關(guān)節(jié)力矩，進(jìn)而導(dǎo)致續(xù)航能力差[8]。此外，外骨骼機(jī)器人的各關(guān)節(jié)多以旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)代替人體的球窩關(guān)節(jié)，在運(yùn)動(dòng)過程中，二者的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心不重合，因此人機(jī)相容性較低[10]。以肩關(guān)節(jié)為例，盂肱關(guān)節(jié)具有浮動(dòng)轉(zhuǎn)心的生物運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性，并且由于不同個(gè)體的轉(zhuǎn)心位置也不同，進(jìn)一步限制了外骨骼的適用性[11]。文獻(xiàn)[12-16]通過設(shè)計(jì)滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)或多連桿機(jī)構(gòu)以增加自由度的方式補(bǔ)償外骨骼關(guān)節(jié)與人體關(guān)節(jié)中心之間的位移偏差，但是增加了外骨骼本體質(zhì)量。并且由于個(gè)體差異性，需要額外設(shè)計(jì)調(diào)整機(jī)構(gòu)[15]。另一種方法是采用仿生式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以織物綁帶或彈性材料替代外骨骼關(guān)節(jié)處的剛性旋轉(zhuǎn)/平移關(guān)節(jié)，既貼合人體結(jié)構(gòu)又降低機(jī)構(gòu)慣性[17-20]，但該方案無法實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)外展助力，無法有效預(yù)防肩袖損傷。

氣動(dòng)肌肉是一類新型的氣動(dòng)執(zhí)行器，與伺服液壓系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)等驅(qū)動(dòng)器相比，具有良好的柔順性和較高的功率密度比，可減小機(jī)器人在控制中人與環(huán)境之間的撞擊并降低外骨骼機(jī)器人本體質(zhì)量，目前被廣泛應(yīng)用于肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人、雙臂外骨骼機(jī)器人和外骨骼手套，用于醫(yī)療輔助康復(fù)、仿生和農(nóng)業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域[21-27]。氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人結(jié)合了傳統(tǒng)外骨骼機(jī)器人的剛性承載結(jié)構(gòu)和織物仿生結(jié)構(gòu)的柔性結(jié)構(gòu)，可以輔助穿戴者在手持負(fù)載的狀態(tài)下完成肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展和肩關(guān)節(jié)外展，有效降低上肢相關(guān)肌群的肌活度。其中，柔性護(hù)肩緊貼穿戴者的肩關(guān)節(jié)，提高人機(jī)相容性，減少外展/內(nèi)收動(dòng)作中人機(jī)旋轉(zhuǎn)中心不重合現(xiàn)象。本文分析上肢負(fù)載彎舉運(yùn)動(dòng)并提出一種預(yù)防肩袖損傷的結(jié)構(gòu)方案。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)以及傳感和控制系統(tǒng)。最后通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上肢外骨骼機(jī)器人助力的有效性。

1 上肢負(fù)載彎舉與肩袖損傷

人體上肢包含肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié)。由于各關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般將各關(guān)節(jié)簡化為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，分析其在矢狀面、冠狀面和額狀面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。上肢彎舉動(dòng)作主要由肘關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)和額狀面內(nèi)的肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。其中，上臂的肱肌和肱二頭肌收縮運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了肘關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動(dòng)；肱三頭肌收縮產(chǎn)生了肘關(guān)節(jié)伸展運(yùn)動(dòng)；三角肌和岡上肌收縮帶動(dòng)肩關(guān)節(jié)完成外展；胸大肌收縮則帶動(dòng)肩關(guān)節(jié)完成內(nèi)收運(yùn)動(dòng)。

為進(jìn)一步描述彎舉動(dòng)作的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程，利用慣性傳感器搭建了上肢運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，收集一名健康成年男子(身高174 cm,體質(zhì)量65 kg)在單臂彎舉過程中的肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息，如圖1所示[28]。 采樣頻率f=50 Hz，收集后的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波和擬合處理，由圖2可知，肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展的運(yùn)動(dòng)范圍為[18°，65°]，肩關(guān)節(jié)外展運(yùn)動(dòng)范圍為[5°，22°]。從生理學(xué)角度分析，肩袖用于維持盂肱關(guān)節(jié)穩(wěn)定，只有肩袖穩(wěn)定時(shí)，才能提供足夠的力量。肩袖是由附著于肱骨頭處的肩部肌群(主要為肩胛下肌、岡上肌、岡下肌和小圓肌)構(gòu)成的袖套樣結(jié)構(gòu)。由于增齡或長期勞動(dòng)，岡上肌肌腱出現(xiàn)的組織退化、肩峰增生等因素而引發(fā)肌腱磨損或局部創(chuàng)口[29]。而當(dāng)彎舉重物時(shí)，上肢的肱二頭肌和三角肌等主動(dòng)肌群沿手臂向上發(fā)力，肩部肱骨頭在外力作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致手臂離開軀體側(cè)，肩關(guān)節(jié)發(fā)生外展。此時(shí)，肩袖在牽引力作用下處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)肩胛骨帶動(dòng)肩峰上移，在力的作用下磨損肩袖而促成肌腱的撕裂性損傷。因此，對(duì)于肩峰空間狹窄或肩袖損傷等肩功能異?；颊?，在治療階段使用外展肩枕作為護(hù)具以提高肩關(guān)節(jié)處的穩(wěn)定性[30]。外展肩枕可放置于肱骨內(nèi)部腋下處，使得肩關(guān)節(jié)與胸椎和肱骨形成了穩(wěn)定的力學(xué)三角形，如圖3所示。

圖1 基于慣性傳感器的人體上肢運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)Fig.1 Human upper-limb motion capture system based on inertial measurement unit

圖2 上肢彎舉運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Position trajectory in upper-limb lifting task

圖3 人體上肢肩袖結(jié)構(gòu)與外展肩枕原理圖Fig.3 Structure diagram of rotator cuff and principle of shoulder pillow1.肩峰 2.岡上肌肌腱 3.肱骨頭 4.盂肱關(guān)節(jié) 5.外展肩枕 6.胸椎

2 氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼系統(tǒng)由外骨骼本體、氣源及控制系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)3部分組成。與其他單臂外骨骼系統(tǒng)不同，本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在輔助穿戴者完成彎舉任務(wù)的同時(shí)保證其肩關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，降低負(fù)載彎舉中肩部肌肉的肌活性，進(jìn)而降低穿戴者發(fā)生肩袖損傷的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)前文分析，單臂彎舉動(dòng)作主要涉及了肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展和肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收。肘關(guān)節(jié)為鉸鏈關(guān)節(jié)，尺骨骨頭可以沿滑車關(guān)節(jié)面內(nèi)產(chǎn)生滑動(dòng)動(dòng)作，因此肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)中心不固定[31-32]。但是CT影像的結(jié)果表明，在肘關(guān)節(jié)的生理運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)(即[0°,120°])，尺肱關(guān)節(jié)移動(dòng)平均值為2.14 mm，最大值為1.13 cm，而在單臂彎舉運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)(即[18°,65°])僅移動(dòng)0.19 mm[32-33]。因此，在本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將肘關(guān)節(jié)簡化為單自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。與肘關(guān)節(jié)相比，人體肩關(guān)節(jié)是更為復(fù)雜的球窩關(guān)節(jié)，其旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)于胸椎位置發(fā)生浮動(dòng)，最大值約為8 cm[11]。在單臂負(fù)載彎舉過程中，重物的牽引力將導(dǎo)致肩峰移動(dòng)，加劇盂肱關(guān)節(jié)的偏移。為提高人機(jī)相容性，一些外骨骼機(jī)器人在肩關(guān)節(jié)處增加多個(gè)旋轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副[12-16]。但是，過多的運(yùn)動(dòng)副增加了外骨骼的本體質(zhì)量，卻無法約束肩峰偏移。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種柔性的護(hù)肩結(jié)構(gòu)以代替肩關(guān)節(jié)的多運(yùn)動(dòng)副復(fù)合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以保證穿戴者與外骨骼的肩部緊密貼合，配合外展肩枕以穩(wěn)固肩峰。護(hù)肩緊貼穿戴者肩部，因此穿戴外骨骼機(jī)器人后的肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收的旋轉(zhuǎn)中心不會(huì)產(chǎn)生偏移。如圖4所示，護(hù)肩具有2層結(jié)構(gòu)。底層護(hù)肩的外形近似于2個(gè)對(duì)頂三角形，用于包裹穿戴者的肩部和大臂，防止肩峰在外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)中在水平方向發(fā)生偏移；頂層肩帶是Y形的彈性繃帶，兩端與外展肩枕相連?？嚲o后，肩帶產(chǎn)生張力與外展肩枕推力的共同作用下在鉛錘方向鎖定穿戴者的肩峰，預(yù)防肩袖損傷。

圖4 護(hù)肩結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of soft shoulder pad1.底層護(hù)肩(展開) 2.底層護(hù)肩(穿戴) 3.頂層肩帶 4.氣動(dòng)式外展肩枕

綜上，氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼如圖5所示。其本體結(jié)構(gòu)包含兩部分，其中剛性部分為肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人，具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。如圖6所示，為了追求本體的輕量化，肘關(guān)節(jié)外骨骼的上臂和前臂連桿都由鋁合金材料制成，各連桿間設(shè)計(jì)了U形槽(樹脂材料)以便安置手臂，并在末端設(shè)計(jì)了抓握手柄(樹脂材料)。為進(jìn)一步降低外骨骼機(jī)器人的本體質(zhì)量，選擇氣動(dòng)肌肉作為外骨骼機(jī)器人的執(zhí)行器。兩根收縮型氣動(dòng)肌肉并聯(lián)在氣動(dòng)式單臂外骨骼的肘關(guān)節(jié)處，一端連接前臂連桿，另一端連接大臂連桿，通過控制其內(nèi)部氣壓以輔助穿戴者完成肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)。整體質(zhì)量為1.06 kg，在負(fù)載彎舉過程中，肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人將為穿戴者的肘關(guān)節(jié)提供輔助力矩。經(jīng)測試，一根長度l=260 mm收縮型氣動(dòng)肌肉在充氣壓力2.5 MPa下可提供超過90 N的拉力[34]。

圖5 完整穿戴效果Fig.5 Effect diagram of subject wearing upper-limb exoskeleton

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of upper-limb exoskeleton mm

圖6 三維設(shè)計(jì)Fig.6 Structure design of upper-limb exoskeleton1.護(hù)肩 2.上臂連桿 3.前臂連桿 4.U形槽手柄 5.手柄U形槽 6.氣動(dòng)肌肉 7.氣動(dòng)式外展肩枕

氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人的柔性部分由護(hù)肩和氣動(dòng)式外展肩枕組成。底層護(hù)肩的兩側(cè)裝有連接卡扣，方便與肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人連接。頂層肩帶采用可調(diào)式黏扣帶設(shè)計(jì)，可以根據(jù)使用者的身材以及需求調(diào)整。肩枕的針織軟袋內(nèi)安置一根收縮型氣動(dòng)肌肉，通過調(diào)整其內(nèi)部氣壓輔助穿戴者完成適度的外展和內(nèi)收動(dòng)作。為降低穿戴者的腋下產(chǎn)生不適感，針織軟袋中填充適度的海綿層以增強(qiáng)其柔順性。

2.2 傳感器與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼系統(tǒng)的傳感器與控制系統(tǒng)如圖7所示，其中氣動(dòng)控制部分主要有氣源、調(diào)壓閥、高速開關(guān)閥、功率放大器、微型控制器(Arduino)、串口模塊和上位機(jī)。經(jīng)測試，微型控制器執(zhí)行一次代碼耗時(shí)約為0.4 ms，串口通信頻率為100 Hz。因此，所采用的控制系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性要求?？紤]到實(shí)際應(yīng)用的工作環(huán)境未知，如果工作空間狹窄有限，則利用750 mL的便攜氣瓶作為氣源；反之，則使用空壓機(jī)作為氣源為氣動(dòng)肌肉提供高壓氣體。調(diào)壓閥用于調(diào)整高速開關(guān)閥的輸入氣壓。兩個(gè)高速開關(guān)閥在功率放大器和微型控制器的指令下，根據(jù)上位機(jī)的信號(hào)切換閥口的進(jìn)氣與排氣狀態(tài)。串口模塊用于建立上位機(jī)與微型控制器的信號(hào)通道。機(jī)器人共布置了兩種傳感器。其中，慣性傳感器用于測量肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展角度和肩關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收角度。接觸力傳感器則用于測量肘關(guān)節(jié)外骨骼和穿戴者手臂之間的接觸力。

圖7 傳感器與控制系統(tǒng)Fig.7 Diagram of sensors and control system1.空壓機(jī) 2.便攜氣瓶 3.調(diào)壓閥 4.高速開關(guān)閥 5.功率放大電路板 6、13.微型控制器 7、14、15.串口模塊 8.上位機(jī) 9.慣性傳感器 10.接觸力傳感器 11.氣動(dòng)式外展肩枕 12.肘關(guān)節(jié)外骨骼

控制方法包含兩部分，見圖8。其中，兩個(gè)接觸力傳感器用于檢測穿戴者在完成肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展動(dòng)作中的人機(jī)接觸力，結(jié)合人機(jī)阻抗模型估計(jì)肘關(guān)節(jié)的期望軌跡，再根據(jù)慣性傳感器測量肘關(guān)節(jié)的實(shí)際角度，利用PID控制器實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤[35]。兩個(gè)接觸力傳感器用于檢測穿戴者在完成肩關(guān)節(jié)外展動(dòng)作中的人機(jī)接觸力。將該值與設(shè)定合理的閾值進(jìn)行比較(表2)，評(píng)估穿戴者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(內(nèi)收、保持、外展)，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制高速開關(guān)閥調(diào)整氣動(dòng)式外展肩枕的氣壓。

圖8 控制方法框圖Fig.8 Diagram of control method

表2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷規(guī)則Tab.2 If-then rules

2.3 力學(xué)仿真

參照相關(guān)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的最大有效負(fù)載為5 kg[36]。因此，首先對(duì)外骨骼機(jī)器人的剛性部分進(jìn)行力學(xué)分析，檢驗(yàn)主要零件的強(qiáng)度。其次，對(duì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到肘關(guān)節(jié)力矩的參考值，進(jìn)而驗(yàn)證氣動(dòng)肌肉的輸出力是否達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

靜力學(xué)分析結(jié)果如圖9、10所示，其中剛性的連桿機(jī)構(gòu)材料設(shè)為鋁合金2024，把手和U形槽為樹脂材料(彈性模量3 000 MPa,彎曲模量150 MPa，拉伸強(qiáng)度60 MPa)。在末端手柄處施加50 N的外力，利用SolidWorks Simulation平臺(tái)計(jì)算肘關(guān)節(jié)外骨骼的應(yīng)力和應(yīng)變。結(jié)果表明，最大應(yīng)變和最大應(yīng)力都產(chǎn)生于肘關(guān)節(jié)處。

圖9 肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人應(yīng)力分析Fig.9 Stress analysis of elbow exoskeleton

圖10 肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人應(yīng)變分析Fig.10 Strain analysis of elbow exoskeleton

根據(jù)圖2所示的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線及表1所示的相關(guān)參數(shù)，利用Matlab/Simulink平臺(tái)可以計(jì)算出肘關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)力矩，其結(jié)果如圖11所示。負(fù)載為5 kg的狀態(tài)下，肘關(guān)節(jié)處最大驅(qū)動(dòng)力矩M=15.39 N·m。由于氣動(dòng)肌肉力臂為0.1 m，因此最大驅(qū)動(dòng)力為153.9 N，小于兩根氣動(dòng)肌肉并聯(lián)輸出的最大收縮力180 N。

圖11 5 kg負(fù)載下肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人的關(guān)節(jié)力矩Fig.11 Torque of elbow exoskeleton during 5 kg lifting task

3 負(fù)載彎舉實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)者在被告知操作方法和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的前提下進(jìn)行了負(fù)載彎舉實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)階段，一名健康成年男子面向?qū)嶒?yàn)臺(tái)(距離地面水平高度0.75 m)站立于固定位置處(距實(shí)驗(yàn)臺(tái)0.4 m)，在語音提示下完成單臂提拉，保持和落臂動(dòng)作，負(fù)載質(zhì)量分別為1 kg砝碼和5 kg啞鈴。實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)全程中需佩戴心率帶(美國Polar Electro公司，H10心率胸帶)，并在肱二頭肌和岡上肌處粘貼電極貼(加拿大Thought Technology有限責(zé)任公司，F(xiàn)lex Comp Infiniti多通道表面肌電信號(hào)儀)。圖12為實(shí)驗(yàn)過程。在第1階段(圖12a)，實(shí)驗(yàn)者不佩戴任何助力設(shè)備，在自然狀態(tài)下根據(jù)語音指令反復(fù)完成同樣動(dòng)作。為了有效評(píng)估助力效果，運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間t=5 min，每組動(dòng)作結(jié)束后待心率恢復(fù)正常后再次進(jìn)行。在第2階段(圖12b)，實(shí)驗(yàn)者被要求穿戴肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人并重復(fù)上述過程。在第3階段(圖12c)，實(shí)驗(yàn)者穿戴了完整的氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人完成相同任務(wù)。實(shí)驗(yàn)過程中記錄了實(shí)驗(yàn)者的肱二頭肌和岡上肌的肌電信號(hào)、肩關(guān)節(jié)外展軌跡以及實(shí)驗(yàn)者心率。

圖13為一個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)實(shí)驗(yàn)者的肱二頭肌肌電信號(hào)。采集的生肌電信號(hào)首先經(jīng)帶通濾波(20～400 Hz)處理后，提取特征值，見表3。相關(guān)研究表明，肌電信號(hào)的平均絕對(duì)值和均方根對(duì)包括表面肌電電極位置偏移、肌肉收縮力變化和肌肉疲勞等干擾不敏感，可以作為時(shí)域特征值反映待測肌肉狀態(tài)[26-28]。穿戴氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人和僅穿戴肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人都影響了肱二頭肌的肌活性。其中，在1 kg外部負(fù)載下，平均絕對(duì)值分別為未穿戴條件下的70.97%和73.49%，均方根分別為未穿戴條件下的78.85%和71.03%；在5 kg外部負(fù)載下，平均絕對(duì)值對(duì)應(yīng)為69.92%和66.24%，均方根對(duì)應(yīng)為66.46%和60.41%。因此，證明了實(shí)驗(yàn)者在氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人的幫助下減少彎舉動(dòng)作中肱二頭肌肌纖維募集數(shù)量，為其肘關(guān)節(jié)提供有效的外力矩補(bǔ)償，降低肱二頭肌肌纖維損傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖13 單臂彎舉過程的肱二頭肌肌電信號(hào)Fig.13 Electromyographies of biceps

表3 穿戴者的肱二頭肌肌電信號(hào)(電壓)Tab.3 Characteristic values of biceps electromyography μV

圖14為一個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)實(shí)驗(yàn)者的岡上肌肌電信號(hào)。其特征值見表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，穿戴氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人影響了肩部岡上肌的肌活性。分析表明，在外部負(fù)載1 kg下，岡上肌平均絕對(duì)值為未穿戴條件下的80.67%，是僅穿戴肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人條件下的86.32%，均方根分別為78.02%和78.30%。在外部負(fù)載5 kg條件下，平均絕對(duì)值為81.51%和83.40%，均方根為89.22%和84.87%。因此，氣動(dòng)式外展肩枕在彎舉過程中為肩關(guān)節(jié)提供了有效支撐，降低了肩部岡上肌的肌活性。進(jìn)而降低了彎舉動(dòng)作中磨損岡上肌肌腱而造成肩袖損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

圖14 單臂彎舉過程的岡上肌肌電信號(hào)Fig.14 Electromyographies of supraspinatus

表4 穿戴者的岡上肌肌電信號(hào)(電壓)Tab.4 Characteristic values of supraspinatus electromyography μV

圖15為一個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)實(shí)驗(yàn)者完成負(fù)載彎舉動(dòng)作的肩關(guān)節(jié)外展軌跡。其中自然彎舉是指實(shí)驗(yàn)者在手無負(fù)載且未穿戴外骨骼機(jī)器人的條件下完成單臂彎舉動(dòng)作。與僅穿戴肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人相比，穿戴氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人后，其肩關(guān)節(jié)外展軌跡更近似于自然彎舉狀態(tài)下的肩部外展軌跡。進(jìn)一步證明了所設(shè)計(jì)的護(hù)肩結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)式外展肩枕對(duì)穿戴者肩部外展助力的有效性。

圖15 單臂彎舉過程的肩關(guān)節(jié)外展軌跡Fig.15 Abduction trajectories of shoulder joint

實(shí)驗(yàn)者心率變化如圖16所示。實(shí)驗(yàn)者1未穿戴任何外骨骼機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)者2僅穿戴肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)者3穿戴完整的氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人。心率變化反映了實(shí)驗(yàn)者的代謝狀態(tài)[28]。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，實(shí)驗(yàn)者在未穿戴任何助力設(shè)備彎舉重物1 kg時(shí)，其平均心率為107次/min，彎舉重物5 kg時(shí)，其平均心率為110次/min。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者僅穿戴肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人時(shí)，其平均心率分別變?yōu)?09次/min和112次/min。當(dāng)完整穿戴外骨骼機(jī)器人時(shí)，其平均心率分別變?yōu)?09次/min和112次/min。需要說明的是，由于所設(shè)計(jì)方案并不包含下肢結(jié)構(gòu)，負(fù)載經(jīng)由剛性的肘關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人和氣動(dòng)式外展肩枕傳遞至實(shí)驗(yàn)者的肩胛骨、胸椎以及脊柱各處，并未直接卸荷至身體外，因此實(shí)驗(yàn)者的平均心率略有增加。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析穿戴外骨骼機(jī)器人對(duì)實(shí)驗(yàn)者的心率變化是否顯著，對(duì)負(fù)載1 kg和5 kg彎舉動(dòng)作的心率數(shù)據(jù)分別運(yùn)用Anova算法進(jìn)行方差檢驗(yàn)。結(jié)果表明，在負(fù)載1 kg彎舉過程中，p=0.29；在5 kg負(fù)載彎舉過程中，p=0.24，均滿足p>0.01。因此，穿戴外骨骼機(jī)器人對(duì)實(shí)驗(yàn)者的心率變化不顯著。進(jìn)而說明，實(shí)驗(yàn)者在穿戴外骨骼機(jī)器人前后的代謝狀態(tài)無顯著性變化。

圖16 實(shí)驗(yàn)者心率Fig.16 Heart rate of subject

4 結(jié)論

(1)提出了一種針對(duì)負(fù)載彎舉任務(wù)的氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人。其設(shè)計(jì)結(jié)合了剛性外骨骼系統(tǒng)良好的力傳遞性以及仿生式結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)靈活性，兼顧了外骨骼機(jī)器人的便攜性和助力有效性。

(2)氣動(dòng)肌肉上肢外骨骼機(jī)器人可以降低實(shí)驗(yàn)者在手持負(fù)載狀態(tài)下彎舉過程中的肱二頭肌和岡上肌肌活性，使得實(shí)驗(yàn)者的肩關(guān)節(jié)外展軌跡更加近似于自然彎舉狀態(tài)下的肩關(guān)節(jié)外展軌跡。并且，穿戴外骨骼機(jī)器人后實(shí)驗(yàn)者的心率無顯著性變化。進(jìn)一步證實(shí)了所提方案可以在輔助穿戴者完成上肢彎舉運(yùn)動(dòng)的同時(shí)降低肩袖損傷的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。