技术摘要：基于仿真的单关节与双关节外骨骼多准则比较

问题陈述

开发用于降低人类运动代谢成本的可穿戴机器人辅助装置是一项重大挑战。需要一种系统化的设计方法来捕捉装置动力学、辅助扭矩曲线与人体表现之间复杂的相互作用。由于原型制作成本高昂、招募足够志愿者困难、安全顾虑以及无法在不使用侵入性传感器的情况下测量内部生理数据（例如肌纤维力学），通过物理人机回路实验对广泛的外骨骼设计和扭矩曲线进行严格比较通常不可行。此外，现有研究往往缺乏一种考虑现实物理约束（如执行器扭矩饱和、功耗和装置惯性）的系统化机电一体化设计框架。

方法论

作者提出了一种基于 OpenSim 框架的仿真多准则设计方法，用于系统评估和比较单关节与双关节髋 - 膝外骨骼。

1. 肌肉骨骼建模与仿真：

• 受试者与条件： 对七名受试者在两种条件下（无负重和背负 38 公斤躯干负载）以自选速度行走的模拟进行了仿真。
• 模型： 将基于 Rajagopal 等人研究的 39 自由度、80 块肌肉的肌肉骨骼模型缩放至每名受试者。
• 工作流程： 研究采用了标准的 OpenSim 工作流程：缩放、逆运动学、残差减小算法（RRA）和计算肌肉控制（CMC）。
• 辅助装置集成： 修改 CMC 算法，将来自“扭矩执行器”的辅助扭矩作为目标函数的一部分。这使得优化器能够利用外骨骼辅助来跟踪运动学，同时最小化肌肉激活和储备执行器的使用。
• 装置配置：
  • 单关节： 建模为两连杆串联机械臂，执行器直接安装在髋关节和膝关节处。
  • 双关节： 受人体双关节肌肉启发，该设计将所有执行器置于髋部（近端），并通过平行四边形机构将动力传递至膝关节（远端）。旨在减少下肢远端惯性并实现关节间的动力转换。

2. 多准则优化（帕累托优化）：

• 目标： 研究同时优化两个相互冲突的目标：最大化代谢成本降低和最小化装置功耗。
• 约束： 通过系统性地约束执行器的峰值扭矩（范围从 30 Nm 到 70 Nm）引入现实物理限制。这引入了执行器饱和，打破了两种装置类型之间的线性运动学映射。
• 方法： 使用$\epsilon$-约束法生成帕累托前沿曲线，代表改进一个目标会导致另一个目标恶化的非支配解集。

3. 次要分析：

• 再生： 将能量再生（回收负功）的潜力叠加在帕累托解上，效率高达 65%。
• 惯性： 使用 Browning 等人的模型估算了增加的装置质量和惯性带来的有害代谢效应，并将其叠加在帕累托前沿上。引入修正增强因子（MAF）以量化考虑这些惯性惩罚后的净代谢收益。
• 关节载荷： 计算关节反作用力和力矩，以评估辅助对关节健康（特别是膝关节、髌股关节和髋关节）的影响。

主要贡献

1. 系统化设计框架： 引入帕累托优化方法，在现实约束（扭矩限制、功耗和惯性）下严格比较外骨骼设计，超越了“理想”的无约束仿真。
2. 双关节与单关节比较： 对两种不同的运动学架构进行了直接、公平的比较。研究表明，虽然理想装置（无约束）表现相似，但在执行器饱和和惯性约束下，其行为显著分化。
3. 惯性与再生效应： 量化了装置惯性和功率再生能力如何改变最优设计空间。研究引入修正增强因子以更好地评估净代谢效率。
4. 负载适应： 分析了重载（38 公斤）如何影响最优辅助曲线、肌肉协调性和装置性能。

主要结果

1. 理想与扭矩受限性能：

• 在理想条件下（无扭矩限制），单关节和双关节外骨骼均实现了相似的代谢成本降低（无负重时约 22%，负重时约 20%）。
• 在扭矩受限条件下，两种配置仍可实现接近理想的代谢降低，但功耗显著更低。然而，单关节设计需要更大的峰值扭矩限制才能达到与双关节设计相当的性能。

2. 功耗与对负载的敏感性：

• 单关节： 功耗对负载条件更为敏感。功率分布发生显著变化，髋部执行器在负重下占据主导地位。非支配单关节解的扭矩和功率曲线显示出高度变异性，且在不同负载条件下可预测性较低。
• 双关节： 功耗对负载的敏感性较低。无论负载如何，髋部和膝关节执行器之间的功率分布保持相对均匀。扭矩曲线在无负重和负重条件下更为一致和可预测。

3. 关节反作用力：

• 两种装置类型均显著降低了膝关节、髌股关节和髋关节的峰值反作用力。
• 单关节： 在降低峰值反作用力和力矩方面表现出优于双关节设计的性能，特别是在膝关节和髌股关节处。
• 双关节： 在伸展 - 屈曲方向上显示出比单关节装置更低的峰值反作用力矩。

4. 再生与惯性：

• 再生： 包含再生（效率高达 65%）显著改善了功耗（6.54% 至 25.76%）。单关节膝关节执行器显示出比髋部执行器更高的再生潜力，而双关节执行器在两个关节处显示出相似的潜力。
• 惯性： 增加的惯性显著降低了代谢效率。单关节装置因惯性损失了 42.51%–55.51% 的效率，而双关节装置损失了 35.12%–49.67%。
• 帕累托偏移： 惯性效应改变了单关节装置的帕累托前沿，从而改变了非支配解集。相比之下，双关节的帕累托最优配置基本保持不变，尽管其整体效率有所降低。

5. 肌肉协调：

• 辅助扭矩间接影响了未直接受助的肌肉（例如踝关节跖屈肌和髋关节外展肌）。
• 负载导致扭矩曲线和肌肉激活出现可预测的缩放和时间偏移。
• 双关节设计将执行器保持在近端的能力减少了反射惯性，符合人体解剖学效率。

意义与主张

该论文声称，其基于仿真的多准则方法提供了一种严格且公平的外骨骼设计比较方法，克服了仅依赖实验研究的局限性。

• 设计指南： 结果表明，双关节外骨骼因其有利的惯性分布和对不同负载条件的鲁棒性而具有优势，使其在不同任务中可能更容易通过通用策略进行控制。
• 权衡： 虽然单关节外骨骼可能在降低峰值关节反作用力方面提供更好效果（可能对关节健康有益），但它们对惯性惩罚更为敏感，并且需要更高的扭矩容量才能匹配双关节设计的代谢收益。
• 现实性： 研究强调，忽略执行器饱和和惯性效应会导致误导性的设计结论。所提出的框架允许设计者在物理原型制作之前，可视化代谢节省、功耗和装置重量/惯性之间的权衡。
• 未来验证： 作者指出，这些仿真结果可作为设计指南，用于识别有前景的配置以供未来的人机回路实验验证，而非声称具有即时的临床疗效。

研究结论认为，虽然双关节设计在代谢效率和负载不敏感性方面表现出更优越的性能，但如果仔细管理惯性特性（例如将膝关节执行器放置得更靠近近端），并且主要目标是降低峰值关节反作用力，那么单关节设计仍然是可行的。