深圳先進院等研發出首款抗阻橫向行走鍛煉外骨骼

　　近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所智能仿生中心副研究員曹武警與香港中文大學、上海交通大學、東北大學合作，在外骨骼機器人領域取得新進展。該團隊研發了國際首款面向橫向行走步態的外骨骼，通過在橫向行走時施加主動阻力力矩代替彈力帶被動力矩，實現髖關節外展肌肉的精準高效鍛煉，為抗阻橫向行走鍛煉提供了智能化新方法。相關研究成果以Development and Evaluation of a Hip Exoskeleton for Lateral Resistance Walk Exercise為題，發表在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics上。

　　髖外展肌肉肌力下降會導致骨盆平衡失調，引起髖部疼痛，并出現腰痛和膝關節痛等癥狀。抗阻橫向行走是髖關節外展肌鍛煉增強的重要方式，彈力帶橫向行走是抗阻鍛煉增強髖關節外展肌最常用的康復運動之一。然而，彈力帶橫向行走鍛煉存在如下缺陷：在橫向行走過程中，阻力不能主動調整，即鍛煉強度不受控；鍛煉肌肉受姿勢、彈力帶位置影響，阻力作用的步態相位時段不可控，即鍛煉肌肉不精準；當彈力帶穿戴時，前行會受影響，即鍛煉與自由前行不可兼得。當前研發的外骨骼均是針對直行步態，橫向行走步態與直行步態不同，尚無外骨骼可以直接應用于抗阻橫向行走鍛煉解決上述問題。

　　該工作研發了國際首款抗阻橫向行走鍛煉外骨骼，提出了自動適應不同身高與體重的多連桿機構構型，建立了考慮傳遞柔性與非線性摩擦力矩的外骨骼與人體耦合系統動力學模型，提出了阻力力矩模糊整定PID控制策略，并通過穿戴測試實現了臀中肌與闊筋膜張肌肌肉激活度的提高。

　　為了驗證上述控制策略的有效性，該團隊分別采用傳統PID和模糊整定PID控制策略對外骨骼進行了力矩跟蹤實驗。結果表明，模糊整定控制策略可實現對阻力力矩的穩定跟蹤（跟蹤誤差較小且具有更短的調整時間）。

　　為了驗證外骨骼對髖關節外展肌肉的鍛煉效果，該研究比較了不穿外骨骼、穿外骨骼不開電、彈力帶和外骨骼主動抗阻（10、15、20 Nm）條件下臀中肌與闊筋膜張肌的肌肉激活度。結果表明：髖關節外骨骼在主動抗阻（10Nm）條件下，相比無外骨骼橫向行走，臀中肌肌肉激活度增加約6倍，闊筋膜張肌激活度增加約16倍。

　　此外，該團隊完成的基于肌電的橫向行走步態識別研究成果（Gait Recognition Based On sEMG And Deep Residual Shrinkage Network）在國際機器人領域會議IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics（IEEE RCAR 2023）上獲得最佳學生論文獎。

　　研究工作得到國家自然科學基金、中國科協青年人才托舉工程和深圳市自然科學基金等的支持。深圳先進院為第一完成單位。

　　論文鏈接

　　外骨骼代替彈力帶實現智能精準抗阻橫向行走鍛煉

　　抗阻橫向行走鍛煉外骨骼系統及穿戴示意圖

髖關節外骨骼控制框圖

　　不同控制策略下力矩跟蹤效果

　　不同橫向行走條件下臀中肌和闊筋膜張肌的肌肉激活度