低能耗助行方法及无动力助行外骨骼优化设计

Development and application of exoskeletons facilitate patients with spinal cord injury (SCI) to walk again, which is beneficial to improve body circulation and prevent complications. The patients prefer the unpowered exoskeletons with lower-cost as most of them come from low-income families. However, the disuse of unpowered exoskeletons is common due to the extremely high energy expenditure during walking, which impedes the clinical spread and application. This project focuses on the close human-exoskeleton-human energy transmission loop in which two key researches are explored to decrease the energy expenditure in walking. One is how to effectively use the energy produced by residual muscles of patients, and the other is how to distribute the energy that transfers to lower limb by human and the unpowered exoskeleton, respectively to minimize the metabolic energy. Based on the results, the novel unpowered exoskeleton for SCI patients is designed and optimized, as well as the method is put forward to comprehensively and quantitatively evaluate the patients walking performance. This study is helpful to provide walking assistance with lower cost and lower energy expenditure for the SCI patients. Therefore, the SCI patients are likely to improve their ability of daily life and return to society earlier. Additionally, this study can also be expanded to decrease the actuator power of powered exoskeleton.

外骨骼技术的临床应用可有效帮助脊髓损伤患者实现自主站立、行走并改善身体循环功能及预防并发症产生。由于我国国情，绝大部分脊髓损伤患者支付能力有限，成本较低的助行外骨骼如助行支具或无动力外骨骼仍然是患者康复训练和助行辅助的首选。然而由于借助外骨骼行走过程中患者新陈代谢能耗过高，导致助行辅具被弃用的现象十分常见，也阻碍了外骨骼技术的临床使用和普及推广。为此，本项目围绕人-机-人能量流动闭环，从有效利用患者残存肌肉产生的能量和优化人机传递能量分配两个方面探究患者低能耗行走的关键技术，并以此为基础设计优化无动力助行外骨骼结构，并开展建立综合量化评估助行效果的方法研究。本项目的开展将为广大脊髓损伤患者提供低成本、低能耗的行走辅助装置技术，同时所研究的能量有效利用和能量流动优化方法还可以拓展应用于动力助行外骨骼设计优化，为发展动力源高效利用方法以及增强人机交互方法等技术研究提供新思路和新方法。

我国脊髓损伤患者数量庞大，增长速度较快，且患者以青壮年为主。助行外骨骼作为当前国内外的研究热点和难点之一，给广大患者的直立助行提供了新的选择和希望。目前临床上无动力外骨骼较为常见，但由于借助其行走过程中患者新陈代谢能耗过高，导致弃用现象十分常见，阻碍了外骨骼技术的临床使用和普及推广。为此，针对腰腹部残存肌力较强和薄弱两类患者，本项目分别开展了低能耗助行方法的研究，助行外骨骼结构优化设计，以及综合量化评估助行效果的方法研究。. 针对腰腹部残存肌力较强的患者，从有效利用患者残存肌肉产生的能量和优化人机传递能量分配两个方面探究患者低能耗行走的关键技术，提出通过模拟装置使躯干部力量以更加合理方式作用于髋关节，提高患者做转头运动效率，并且减少躯干为了适应对侧髋关节高低变化往复摆动过程中拮抗肌消耗的能量的低能耗助行方法。基于此理念，重点开展了绳索—弹簧串联结构设计，并将其应用于新型无动力储能外骨骼，该结构能够将肩部肌群和胸部肌群收缩产生的力有效传递至髋关节，并结合髋关节储能元件驱动患者行走。2名患者实验结果显示相比传统的RGO，使用该外骨骼行走能耗分别降低15%和47%，证明了低能耗助行方法的有消息。. 针对腰腹部残存肌力薄弱的患者，为了进一步降低患者行走负荷，提出利用电机输出的能量替代部分患者肌肉产生的能量，将弹性储能元件与电机驱动有机耦合，作为助行外骨骼的髋关节驱动器。结合该设计理念，提出了驱动器与患者步态周期匹配方法：在支撑期，患者利用自身残存运动能力，借助拐杖转移重心，同时电机将能量储存在扭簧里；在摆动期，已储能的扭簧迅速将能量释放，帮助患者屈髋摆腿。台架实验显示电机助行时的峰值与平均功率分别降低47.97%及56.33%。人机耦合实验结果显示电机的平均功率与峰值功率分别降低57.87%及61.42%，并且受试者肌肉激活度较低，髋关节拮抗力矩较低。. 本项目的研究，降低了脊髓损伤患者使用外骨骼行走过程中的能耗，同时为发展动力源高效利用方法以及增强人机交互方法等技术研究提供新思路和新方法。. 在上述研究中，在国内外学术期刊及国际会议发表论文5篇，SCI收录3篇，EI收录2篇，申请发明专利1项。