基于双关节仿生原理的增强型腓肠肌下肢动力外骨骼机器人(EGME)研发及其在运动性能提升中的应用研究

本研究针对现有下肢外骨骼机器人忽视双关节肌协同作用的局限性，开发了增强型腓肠肌仿生下肢动力外骨骼机器人(EGME)。通过模拟腓肠肌(GAS)跨膝踝关节的生物力学特性，采用力-位置并行控制策略，实现了步行和蹲踞任务中GAS激活强度降低46.4%-59.8%，蹲踞耐力提升7.79倍，为康复医学和运动增强技术提供了新型仿生设计范式。

　　

在康复医学和运动辅助技术领域，如何精准模拟人体运动机制始终是科研人员面临的重大挑战。传统下肢外骨骼机器人多聚焦单关节肌肉增强，却忽视了双关节肌肉如腓肠肌(Gastrocnemius, GAS)在跨关节能量传递中的关键作用，导致运动效能提升受限。这种设计缺陷使得现有设备难以兼顾运动性能增强与能耗降低的双重目标，特别是在需要复杂多关节协调的步行和蹲踞动作中表现尤为突出。

针对这一技术瓶颈，重庆大学的研究团队在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》发表了创新性研究成果。该团队开发的增强型腓肠肌仿生下肢动力外骨骼机器人(Enhanced Gastrocnemius-Mimicking Exoskeleton, EGME)，通过模拟GAS跨膝踝关节的生物力学特性，首次实现了双关节协同助力的突破。研究采用OpenSim 4.5仿真平台结合人体实验验证，创新性地构建了包含力-位置并行控制算法和自适应支撑力的智能系统，为下肢外骨骼设计提供了全新思路。

关键技术方法包括：1)基于OpenSim的Gait10DOF18Musc模型进行人机交互仿真；2)开发双向平移驱动系统模拟EGME功能；3)采用五自由度(DOFs)仿生框架集成高扭矩微型直流电机；4)通过表面肌电(sEMG)和惯性测量单元(IMU)实时监测5名健康受试者的肌肉激活和运动参数；5)建立有限状态机(FSM)实现步态相位自适应控制。

生物力学分析

通过建立包含膝踝参考系的动力学模型(图1、图2)，推导出EGME长度计算公式l_m=√(k²+r₀²+2r₀kcos(θ₁+rθ₂/k))，其中k=√(r²+l²-2rlcosθ₂)。该模型准确描述了EGME在单腿支撑早期(10-25%步态周期)提供垂直推力、中期(30%周期)近等长收缩、后期推进阶段的力学特性。

水平步行实验结果

在1-3 km/h速度测试中(图10、图11)，EGME的辅助模式(ASSIST)使GAS平均激活强度较自由模式(FREE)降低12.7-38.5%，峰值激活降低22.1-46.4%。特别在2 km/h速度下，EGME展现出最优性能，肌电信号降幅显著高于单关节踝外骨骼(p<0.05)。

蹲踞任务表现

短时蹲踞实验中(图12、图13)，EGME使GAS平均激活降低59.8%，其中蹲踞保持阶段降幅达69.9%。长时测试显示(图15)，受试者耐力时间提升7.79倍。压力分布分析(图14)证实EGME将足前/后压力比从3.6优化至0.94，显著改善踝关节稳定性。

仿真验证

OpenSim仿真(图8、图9)表明，EGME使总肌肉代谢降低42.1%，GAS代谢降低55.8%，肌力输出减少35.1%，验证了其能量传递优势。

这项研究开创性地证实了双关节外骨骼在运动辅助中的独特价值。EGME通过模拟GAS的生物力学特性，不仅解决了传统单关节外骨骼能量传递效率低下的问题，更通过刚性结构实现了踝关节稳定性和负重能力的同步提升。研究提出的力-位置并行控制策略(u=αF_i+βl_p)和自适应支撑力算法(F_sq=(1-e^-λt)M(g+a_h)/cosγ)，为未来智能假肢和康复机器人设计提供了重要理论依据。尽管当前研究聚焦健康受试者，但其在跟腱炎康复、脑卒中后步态训练等领域的应用前景值得期待。后续研究可结合非受控流形假说(UCM)进一步探索跨关节协调机制，推动外骨骼技术向更符合人体自然运动模式的方向发展。