IEEE T-MECH | 橫著走、強肌肉，深圳先進院研發(fā)首款抗阻橫向行走鍛煉外骨骼

發(fā)布時間：2023-09-26 來源:深圳先進技術研究院

　　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曹武警副研究員與香港中文大學、上海交通大學、東北大學科研團隊合作，在外骨骼機器人領域取得新進展。

　　團隊研發(fā)了國際首款面向橫向行走步態(tài)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(xiàn)髖關節(jié)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。研究成果以Development and Evaluation of a Hip Exoskeleton for Lateral Resistance Walk Exercise為題，發(fā)表在機電一體化領域頂級期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics（JCR一區(qū)，影響因子：6.4）曹武警副研究員為第一作者，吳新宇研究員為通訊作者，中國科學院深圳先進技術研究院為第一單位。

　　髖外展肌肉肌力下降會導致骨盆平衡失調(diào)，引起髖部疼痛，并出現(xiàn)腰痛和膝關節(jié)痛等癥狀?？棺铏M向行走是髖關節(jié)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(jié)外展肌最常用的康復運動之一。然而，彈力帶橫向行走鍛煉有以下缺陷：在橫向行走過程中，阻力不能主動調(diào)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(tài)相位時段不可控，即鍛煉肌肉不精準；且當彈力帶穿戴時，前行會受影響，即鍛煉與自由前行不可兼得。當前研發(fā)的外骨骼都是針對直行步態(tài)，橫向行走步態(tài)與直行步態(tài)完全不同，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。

　　團隊研發(fā)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(tǒng)動力學模型，提出了阻力力矩模糊整定PID控制策略，通過穿戴測試實現(xiàn)了臀中肌與闊筋膜張肌肌肉激活度的提高。

　　為了驗證所提控制策略的有效性，分別采用傳統(tǒng)PID和模糊整定PID控制策略對外骨骼進行了力矩跟蹤實驗。結果表明所提出的模糊整定控制策略可以實現(xiàn)對阻力力矩的穩(wěn)定跟蹤，跟蹤誤差較小且具有更短的調(diào)整時間。

　　為了驗證外骨骼對髖關節(jié)外展肌肉的鍛煉效果，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：所提出的髖關節(jié)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，團隊基于肌電的橫向行走步態(tài)識別研究Gait Recognition Based On sEMG And Deep Residual Shrinkage Network在國際機器人領域知名會議IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics （IEEE RCAR 2023）上獲得最佳學生論文獎。團隊碩士研究生羅明祥為第一作者，吳新宇研究員與曹武警副研究員共同指導學生完成。

　　該系列研究工作得到了國家自然科學基金杰出青年基金項目、中國科協(xié)青年人才托舉工程項目、國家自然科學基金深圳聯(lián)合基金重點項目、國家自然科學基金青年項目、深圳市自然科學基金面上項目等項目資助。