综述：下肢外骨骼开发中的生物力学模型：综述

这篇综述聚焦下肢外骨骼开发中的生物力学模型，系统回顾其在辅助设备设计、控制、评估和变量估计中的应用。通过分析现有研究，指出在模型验证、精度提升等方面存在的问题，并提出未来研究方向，对推动下肢外骨骼发展意义重大。

　　### 下肢外骨骼开发中的生物力学模型：综述
下肢外骨骼在辅助下肢运动、改善肢体功能障碍者生活质量等方面发挥着重要作用，其设计和开发需要多学科的协同，而生物力学模型作为关键工具，在这一过程中至关重要。

生物力学步态模型

生物力学步态模型旨在描述和理解人类的步态模式与力学原理，可分为概念模型和详细模型。

• 概念模型：通过简约的方式呈现步态行为的基本特征，有助于研究者把握步态的内在机制，而无需陷入复杂的关节和肌肉细节中。根据模型特性，又可细分为柔顺概念模型和刚性概念模型。
  • 柔顺概念模型：如弹簧加载倒立摆（SLIP）模型，在理解和研究步态力学方面表现出色。以双足弹簧 - 质量模型为例，它能展示跑步时支撑腿的柔顺行为如何重现步行时的支撑动力学，凸显了相同机械系统可呈现不同运动行为的能力。对 SLIP 模型的扩展，如添加躯干和腿部阻尼等，能更精准地模拟人体运动力学和控制。
  • 刚性概念模型：大多源于倒立摆模型，虽然无法准确描绘人类行走时典型的双峰地面反作用力，但在阐释基本原理和关系方面具有重要价值。例如，该模型可用于描述重心速度改变所需的机械功、估算步态的代谢成本，还在理解步态稳定性原理和为双足机器人生成行走模式等方面发挥作用。
  
  
• 详细模型：这类模型涵盖多种方法，通过整合神经控制，力求更全面地阐释神经和肌肉骨骼系统之间的复杂交互。具体的模拟方法包括跟踪模拟和预测模拟。
  • 跟踪模拟：目的是最小化模拟数据与实验数据之间的误差，以此重现观察到的行为，并估算肌肉力、激活情况以及对关节运动的贡献。其中，逆动力学通过实验测量的运动学和外力数据，估算模型中身体节段的加速度，进而求解产生观察运动所需的内部关节力和力矩，常采用静态优化方法；准静态正向动力学则运用动态优化技术，结合计算肌肉控制（CMC）等方法，纳入激活动力学，以更准确地模拟肌肉激发。
  • 预测模拟：无需实验运动数据作为输入，主要包括最优控制、基于反射的控制、强化学习和中枢模式发生器等方法。最优控制假设中枢神经系统可通过最小化合适的函数（如运输的代谢成本）来优化性能；基于反射的控制通过建立肌肉控制与肌肉骨骼系统状态之间的关系来实现反馈控制；强化学习是一种机器学习技术，通过与环境交互学习最优策略，以实现特定目标；中枢模式发生器利用振荡神经电路产生有节奏的肌肉激活，驱动如行走、跑步等周期性运动。
  
  

生物力学模型在辅助设备开发中的应用

生物力学模型在辅助设备开发的多个环节发挥着关键作用，具体应用如下：

• 设计：鉴于人体实验的高成本和高时间消耗，生物力学建模为辅助设备设计提供了经济高效的途径。通过预测设备对用户的影响，能在设计初期优化方案。研究人员利用肌肉骨骼模拟预测外骨骼对步态和能量消耗的影响，确定最佳辅助关节和优化设计参数。如在确定辅助关节时，不同研究针对不同应用和用户进行模拟，发现负载搬运时，辅助髋关节屈曲、伸展等关节在代谢效益上存在差异；跑步时，不同速度下辅助近端或远端关节的效果不同。在优化设计参数方面，可通过调整机械元件属性、几何参数等，借助人体在环（HIL）优化等方法，实现设备的个性化定制，提高其有效性。
• 控制：生物力学模型在辅助设备控制中具有巨大潜力，可通过设计期望轨迹和实现基于模型的自适应控制，提升设备性能和用户体验。
  • 离线轨迹设计：一种常见的控制器设计方法是使用预定义的辅助轮廓，通过生物力学模拟优化控制参数。研究人员利用肌肉骨骼模型和预测模拟，优化髋关节辅助扭矩轮廓等，以降低代谢成本。也有研究直接确定最优辅助轨迹，实验证明优化后的辅助轨迹能有效降低代谢成本，但与 HIL 优化相比仍有提升空间。此外，还可基于估计的肌肉力设计辅助轮廓，如根据模拟的比目鱼肌力量为脚踝外骨骼设计辅助力轮廓。
  • 自适应模型 - 基于控制：在自适应模型 - 基于控制中，模型根据用户的感官反馈生成辅助。基于反射的控制，如基于 Geyer 等人提出的步态模型，通过肌肉反射控制，能在干扰下稳定产生不同的人类步态模式，已成功应用于控制腿部假肢和外骨骼；基于地面反作用力反馈的力调制柔顺（FMC）控制，通过调节辅助设备的刚度，为髋关节、膝关节等提供有效辅助。基于 EMG 的控制，将受试者的 EMG 信号作为输入，通过肌肉骨骼模型实时估计生物关节扭矩，进而动态控制外骨骼产生的扭矩，已在膝关节、踝关节等外骨骼辅助中取得良好效果，能有效减少肌肉活动。基于人工运动原语的控制，利用运动原语生成刺激信号，转化为肌肉 - 肌腱力和关节扭矩，为外骨骼提供辅助，已成功应用于控制髋关节屈伸外骨骼。
  
  
• 评估：当前研究辅助设备对人类步态影响的实验方法存在局限性，生物力学建模则能通过模拟设备和用户行为，定量评估设备性能，为设备设计提供有价值的参考。研究人员运用肌肉骨骼模拟评估外骨骼对膝关节接触力的影响，发现某些外骨骼可降低膝关节负荷，而不当的辅助（如增加踝关节跖屈阻力）可能导致膝关节问题。肌肉骨骼模拟还用于研究辅助对肌肉 - 肌腱力学的影响，分析不同辅助设备（如膝关节支具、踝关节矫形器等）对相关肌肉的作用，以及对代谢成本的影响。
• 估计：生物力学模型能够估计辅助设备中难以直接测量或无法测量的变量，如肌肉力、关节负荷、关节力矩、接触力和代谢成本等。这些信息在辅助设备的设计、控制和评估过程中具有重要价值。肌肉模型可将肌肉激活转化为肌肉力和关节扭矩，结合 EMG 数据，神经肌肉骨骼模型能更准确地估计关节力矩。肌肉骨骼模拟还可计算肌肉力和状态估计，为优化控制参数提供依据，如通过估计代谢成本优化髋关节外骨骼的控制参数。

讨论与未来展望

生物力学步态模型在下肢外骨骼等辅助设备的发展中具有巨大潜力，但目前仍存在一些需要深入研究的领域。

• 验证：模拟模型是对现实世界系统和行为的简化，其有效性需要通过验证来确保。虽然部分研究已验证了模拟结果，证明了生物力学模型在设计辅助设备和控制器方面的潜力，但仍缺乏对辅助设备设计和控制的严格实验验证。不同类型的辅助设备、目标用户群体和使用场景对验证研究的要求各异。未来应通过与实验结果对比、进行敏感性分析、使用不同模拟工具和模型等方式，提高模拟结果的可靠性和设计的有效性。
• 改进模型：提高模型的保真度对开发更实用的辅助设备至关重要。在神经肌肉骨骼模型中，增加个性化因素（如根据磁共振成像扫描提取的骨骼几何形状和关节中心、基于 EMG 或超声数据个性化的肌肉 - 肌腱参数等）、纳入更多生物力学细节（如将脚建模为两段系统、更准确地模拟肌肉动力学等）、整合软生物组织的粘弹性行为等，可提升模型的准确性。在神经控制方面，通过优化性能标准、个性化优化标准（如采用双层优化方法确定加权成本函数）、探索新的神经控制模型（如基于概念模型的发现、扰动研究和临床定义的数学模型等）、考虑步态模拟中的不确定性（如肌肉的协同收缩）等方式，使神经肌肉模型更接近生物实际情况。此外，精确模拟辅助设备的动力学，校准接触模型以准确估计人机交互力，考虑外骨骼模型与人体关节轴的不对齐等问题，也有助于提高模型的预测能力。
• 基于模型的病理性步态辅助设备设计与控制：开发外骨骼的主要目的之一是帮助行动障碍者，提高他们的生活质量。尽管基于模型设计的辅助设备和控制器在理论上显示出有效性，但目前的研究大多集中在健康受试者上。对病理性步态的建模以及基于模型的辅助设备设计和控制的研究相对较少，且部分研究依赖在健康受试者上进行测试来验证，然而改善健康人步态的设备并不一定能有效辅助病理性步态。未来应加强对病理性步态的建模研究，设计出更适合行动障碍者的辅助设备。
• 辅助设备的设计目标：目前，利用生物力学模型设计和控制下肢辅助设备的研究中，多数将降低代谢成本和肌肉负荷作为主要目标，而一般下肢外骨骼的设计更侧重于改善动力学、运动学等参数。这可能是因为多数基于模型的设计和测试是在健康用户上进行的。对于病理性步态，应探索更适合的设计目标，利用预测模拟揭示影响步态改变的生理因素，考虑更多主观标准（如用户舒适度、接受度等），实现辅助设备与人体的无缝融合。
• 开源数据、模型和软件：开源数据、模型和软件为辅助设备的发展提供了有力支持，如 OpenSim 软件可用于构建肌肉骨骼模型和进行动态模拟。利用开源模型能节省开发时间和成本，促进研究人员之间的合作与知识共享。然而，目前用于开发和测试外骨骼的可访问数据集相对匮乏，限制了研究的进展。一些机构已开始共享数据集、计算机辅助设计（CAD）和硬件规格，推动了外骨骼技术的发展。利用生物力学模型生成数据集，为数据驱动方法和机器学习算法提供训练数据，也是未来的一个重要发展方向。
• 辅助设备在生物力学模型发展中的作用：生物力学模型对推动外骨骼发展具有重要作用，而外骨骼也可作为工具，用于改进生物力学模型。外骨骼可作为扰动设备，改变人类的运动模式，研究人员通过观察人体的响应，深入了解人体的特征和行为，优化生物力学模型。利用外骨骼施加周期性机械扰动，研究人员可以探究人体如何适应扰动，进而推进对人类运动控制架构的理解。外骨骼还可用于识别模型中的个体特定肌肉参数，提高模型的准确性。