王紫荊，王藝霖，王紅偉，周林，邱靜，黃璞玉

( 1.電子科技大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，成都 611731；2.電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 611731；3.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

1 引言

康復(fù)機(jī)器人是醫(yī)用機(jī)器人的重要分支，是康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]。近些年來(lái)康復(fù)機(jī)器人在成人康復(fù)治療中取得了很大發(fā)展，而在兒童康復(fù)領(lǐng)域的研究還處于初級(jí)階段。目前的兒童康復(fù)機(jī)器人主要針對(duì)自閉癥和腦癱患兒，如Made for Movement 開(kāi)發(fā)的NF-Walker 機(jī)器人，是一種針對(duì)腦癱兒童設(shè)計(jì)的混合型輔助機(jī)器人[2]；Lokomat 是由Hocoma AG 公司研究生產(chǎn)的步態(tài)輔助型機(jī)器人目前已被許多醫(yī)療機(jī)構(gòu)廣泛引進(jìn)使用[3]；針對(duì)腦癱兒童設(shè)計(jì)的機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)Gait Trainer GT-1RehaStim旨在通過(guò)重復(fù)訓(xùn)練改善患兒行走步態(tài)[4-5]；ATALS 是具有6 自由度且專為四肢癱瘓兒童設(shè)計(jì)的一款下肢康復(fù)機(jī)器人[6]；可穿戴踝膝外骨骼機(jī)器人WAKE-up[7-8]是一多關(guān)節(jié)下肢康復(fù)機(jī)器人；CPWalker[9]是一種基于跑步機(jī)的康復(fù)型機(jī)器人外骨骼，旨在為患有腦癱的兒童進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有法國(guó)Nao機(jī)器人、英國(guó)Kasper機(jī)器人，德國(guó)兒童康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)-LokoHelp系統(tǒng)等[10]。由于兒童大腦神經(jīng)系統(tǒng)較成人來(lái)說(shuō)可塑性程度更高，成長(zhǎng)空間更大，研究結(jié)果顯示下肢外骨骼機(jī)器人在兒童康復(fù)訓(xùn)練中的運(yùn)動(dòng)能力改善效果更優(yōu)[11]。但目前有關(guān)機(jī)器人輔助患兒步態(tài)訓(xùn)練的相關(guān)臨床研究還很初步，對(duì)于外骨骼機(jī)器人是否能夠有效改善腦癱患兒步行能力問(wèn)題上，仍然存在爭(zhēng)議。本文針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)AIDER兒童外骨骼機(jī)器人步行狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)功能及步態(tài)影響進(jìn)行了研究，為后續(xù)外骨骼機(jī)器人在患病兒童的步態(tài)訓(xùn)練應(yīng)用提供一定的研究基礎(chǔ)和參考資料。

2 方法

2.1 受試者

在本實(shí)驗(yàn)中有14名研究對(duì)象，7位女性兒童，7位男性兒童，認(rèn)知正常，身體健康無(wú)殘疾，實(shí)驗(yàn)已獲得受試兒童監(jiān)護(hù)人同意并簽署知情同意并由電子科技大學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。14名受試兒童的基本生理參數(shù)如表1所示。

表1 受試兒童的基本生理參數(shù)信息

2.2 儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)基于AIDER兒童外骨骼機(jī)器人實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，圖1為AIDER兒童外骨骼機(jī)器人示意圖，整機(jī)具有4個(gè)電機(jī)、4個(gè)絕對(duì)編碼器、1個(gè)主控板和1個(gè)電源以及多組傳感器等；髖、膝關(guān)節(jié)具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，踝關(guān)節(jié)有一個(gè)被動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，整個(gè)系統(tǒng)具有8個(gè)自由度。AIDER兒童外骨骼機(jī)器人在腰部和腿部為可以進(jìn)行尺寸調(diào)節(jié)的伸縮桿，因此能夠根據(jù)不同身高體型穿戴兒童的身體生理參數(shù)適時(shí)的對(duì)臀部寬度、大腿長(zhǎng)度、小腿長(zhǎng)度以及足部大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，適合年齡在5-12歲，身高在105 cm-150 cm，體重在19-45 kg的兒童使用。

本次實(shí)驗(yàn)采用8個(gè)OML公司開(kāi)發(fā)的Vicon MX紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉攝像頭、2塊美國(guó)生產(chǎn)的AMTI三維測(cè)力臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集。由于實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)人體步行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，因此選取攝像頭采樣頻率為100Hz，測(cè)力臺(tái)采樣頻率為1000Hz。

圖1 AIDER 兒童外骨骼機(jī)器人

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用自身對(duì)照，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)路段下，同一實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象需要在未穿戴條件下進(jìn)行10次10MWT(10-Meter Walk Test)測(cè)試，穿戴外骨骼機(jī)器人條件下進(jìn)行7次10MWT測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中，考慮到穿戴外骨骼機(jī)器人行走時(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)象上肢需要使用拐杖用力支撐地面，兒童上肢力量較弱，在反復(fù)行走中容易產(chǎn)生肌肉疲勞和不適，易發(fā)生摔倒等損傷，對(duì)數(shù)據(jù)的有效采集產(chǎn)生不利影響，所以在執(zhí)行任務(wù)時(shí)減少了行走次數(shù)，僅完成7次10MWT測(cè)試。記錄每次執(zhí)行步行任務(wù)時(shí)的角力穩(wěn)定值、步態(tài)對(duì)稱性參數(shù)以及行走時(shí)長(zhǎng)，對(duì)兩次采集到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析與計(jì)算，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行穿戴與未穿戴數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，10米實(shí)驗(yàn)路段的具體標(biāo)記點(diǎn)與計(jì)時(shí)點(diǎn)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集步驟如圖3所示。

圖2 10MWT實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集步驟示意圖

2.4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)選擇PlugInGait Lowerbody模型，用于Vicon動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)人體下半身進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)對(duì)象下半身黏貼點(diǎn)共計(jì)16個(gè)，穿戴和未穿戴條件下16個(gè)黏貼點(diǎn)位置相同，具體位置如圖4所示。

圖4 下半身16個(gè)黏貼點(diǎn)位置標(biāo)記示意

2.5 數(shù)據(jù)收集與處理

使用Vicon Nexus 3.3.9系統(tǒng)軟件對(duì)采集到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，完成實(shí)驗(yàn)對(duì)象未穿戴與穿戴外骨骼機(jī)器人兩種條件下下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力等數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算；使用Matlab R2017a對(duì)采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)三維運(yùn)動(dòng)角度、關(guān)節(jié)力及運(yùn)動(dòng)軌跡等的制圖；使用Python 3.6.8對(duì)采集的所有步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成歸一化力角穩(wěn)定值、步態(tài)對(duì)稱參數(shù)的分析與計(jì)算；使用Excel 2016軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整周期的拾取以及時(shí)相統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行步態(tài)時(shí)間參數(shù)及時(shí)相等參數(shù)的繪圖；采用SPSS 25.0對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)與分析，根據(jù)不同的分析目的運(yùn)用均值分析、單個(gè)樣本t檢驗(yàn)以及方差檢驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算以及統(tǒng)計(jì)學(xué)繪圖，其中若P<0.05，認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)果

(1)人機(jī)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性

圖5是同一實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象穿戴兒童外骨骼機(jī)器人在三種不同速度下執(zhí)行行走任務(wù)時(shí)的歸一化力角穩(wěn)定值曲線圖，從曲線變化趨勢(shì)上看，三條曲線變化特點(diǎn)相近，在外骨骼機(jī)器人行走中均呈現(xiàn)出穩(wěn)定的周期性，在半個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，力角穩(wěn)定值先呈增加趨勢(shì)，在約1/2步態(tài)周期處出現(xiàn)極值，后逐漸下降。由于隨著實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)兒童外骨骼機(jī)器人使用熟悉度的提升，實(shí)驗(yàn)對(duì)象在穿戴外骨骼機(jī)器人條件下的行走速度逐漸變快，從而引起兒童穿戴外骨骼行走時(shí)下肢擺動(dòng)速度增加，相應(yīng)的外骨骼機(jī)器人的行走運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性變差，但整個(gè)行走過(guò)程中力角穩(wěn)定值時(shí)刻大于0，說(shuō)明外骨骼機(jī)器人在平地行走過(guò)程中，一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 穿戴兒童外骨骼機(jī)器人條件下步行運(yùn)動(dòng)歸一化力角穩(wěn)定值

(2)步態(tài)對(duì)稱性

從圖6中可知，受試者在不穿戴外骨骼機(jī)器人行走狀態(tài)下左右雙腿的步態(tài)時(shí)相對(duì)稱性參數(shù)IDps>0.9，對(duì)稱性較高，而穿戴條件下實(shí)驗(yàn)對(duì)象左右雙腿的步態(tài)時(shí)相對(duì)稱性參數(shù)0

圖6 兒童未穿戴與穿戴AIDER兒童外骨骼機(jī)器人時(shí)相對(duì)稱指標(biāo) 分析圖

由圖7可知，實(shí)驗(yàn)對(duì)象在穿戴兒童外骨骼機(jī)器人條件下的步長(zhǎng)、跨步長(zhǎng)對(duì)稱指標(biāo)IDsd、IDsp與未穿戴條件下的步長(zhǎng)、跨步長(zhǎng)對(duì)稱指標(biāo)有明顯差異，但穿戴條件下步長(zhǎng)對(duì)稱性指標(biāo)IDsd和跨步長(zhǎng)對(duì)稱指標(biāo)IDsp接近或大于0.8，說(shuō)明此時(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)象左右雙腿步態(tài)有良好的對(duì)稱表現(xiàn)。

圖7 兒童未穿戴與穿戴AIDER兒童外骨骼機(jī)器人步長(zhǎng)、跨步長(zhǎng)對(duì)稱指標(biāo)分析圖

4 討論

本文從外骨骼人機(jī)穩(wěn)定性和步態(tài)對(duì)稱性參數(shù)指標(biāo)來(lái)對(duì)AIDER兒童外骨骼機(jī)器人的步行狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行評(píng)估，選取的指標(biāo)有限，評(píng)估并不完全全面。此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)人員也存在一定的限制，仍有可以改進(jìn)的空間，具體改進(jìn)方向有：

(1)擴(kuò)展外骨骼系統(tǒng)穩(wěn)定性、平衡性方面的評(píng)估參數(shù)，如利用ZMP穩(wěn)定性判據(jù)等參數(shù)來(lái)對(duì)兒童穿戴外骨骼機(jī)器人前后的行走平衡進(jìn)行評(píng)估。

(2)本文對(duì)兒童外骨骼步行功能的評(píng)估僅從步態(tài)這一小方面進(jìn)行了分析與研究，實(shí)際在醫(yī)療場(chǎng)景中，步態(tài)評(píng)估除步態(tài)之外，還包括患兒心率、耗氧量、肌電特征等方面，通過(guò)這些評(píng)估層面拓展可以得到更全面的評(píng)估結(jié)果。

(3)實(shí)驗(yàn)受試人群僅為健康兒童，雖包括了不同年齡、性別、身高及體重的受試人群，但整體實(shí)驗(yàn)對(duì)象單一，條件限制未能對(duì)腦癱兒童進(jìn)行穿戴條件下的步態(tài)評(píng)估。因此，后續(xù)可對(duì)腦癱患兒進(jìn)行AIDER兒童外骨骼機(jī)器人臨床數(shù)據(jù)的采集與分析工作，可能會(huì)對(duì)后期腦癱康復(fù)機(jī)器人的研究提供更有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)資料和研究基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

(1)人機(jī)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性

利用力角判據(jù)和整個(gè)行走中穿戴者摔倒次數(shù)來(lái)對(duì)AIDER兒童外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)對(duì)象穿戴AIDER兒童外骨骼機(jī)器人在較為平整的路面行走時(shí)，步速對(duì)外骨骼運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響，隨步速的增加穩(wěn)定性會(huì)稍變?nèi)醯煌俣认碌牧欠€(wěn)定值在整個(gè)過(guò)程中均時(shí)刻大于0，說(shuō)明外骨骼機(jī)器人在平地行走過(guò)程中，一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)步態(tài)對(duì)稱性

結(jié)合步態(tài)對(duì)稱性參數(shù)的分析結(jié)果可以得出，兒童穿戴AIDER兒童外骨骼機(jī)器人條件下的左右雙腿步態(tài)對(duì)稱，雖與不穿戴外骨骼機(jī)器人自然行走狀態(tài)下的三種對(duì)稱性指標(biāo)有一定差異，但兒童外骨骼機(jī)器人步態(tài)對(duì)稱性較好。

綜上所述，兒童外骨骼機(jī)器人在不同速度下一直處于穩(wěn)定狀態(tài)且步態(tài)對(duì)稱性較好，初步實(shí)現(xiàn)兒童在行走過(guò)程的輔助作用，能對(duì)不良步態(tài)進(jìn)行糾正。