面向目标型自适应并联康复机构的拟人化模型驱动设计评估方法

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Anthropomorphic Model-Driven Design-Evaluation Method for Targeted Compliant Parallel Rehabilitation Mechanisms

　　刘成雷|刘晓超|张建军|施安宇|宋景科|吕伟林|郭世杰 中国天津市300401，教育部智能康复装置与检测技术工程研究中心；摘要传统刚性康复机构难以适应人类运动过程中复杂的多自由度运动模式，而刚柔耦合型机构虽具备一定柔顺性，却又可能影响其安全性和功能所必需的刚性。为解决这一矛盾，本文提出了一种用于康复治疗的靶向柔顺并联机构，该机构既能有效应对复杂多变的多自由度运动，又能确保主要运动动作的精准执行，并严格限制不必要的运动。首先，基于仿生原理和实验数据，设计了一种具有闭环模块的可配置仿人踝关节模型，用于模拟不同的踝关节运动模式。其次，受该模型的闭环结构启发，提出了一种具有刚柔闭环仿人模块的靶向柔顺并联机构设计方法，重点在于这些模块的配置合成与布局，以精准匹配复杂的仿人踝关节模型。第三，通过提出的主要运动传递性和多自由度运动适应性指标，对目标机构的尺寸和刚度参数进行了系统优化。最后，开发了一种基于仿人踝关节模型的靶向柔顺性实验评估方法，通过对比实验验证了该机构的优势，同时也证明了设计-优化-评估一体化方法的正确性与有效性。引言随着临床上对机器人辅助康复精准度和舒适度的要求日益提高，如何同时提升与人体结构复杂性的兼容性、对人类运动多样性的适应能力以及康复动作执行的精确度，已成为一项重要任务。在康复机构的发展过程中，人们一直在努力提升人机兼容性，从以功能为导向的冗余自由度康复机构，发展到符合人体关节自由度要求的3自由度旋转机构，再到远心点康复机构。作为一种广泛应用的远心点结构，图1(a)所示的2-UPU&RRR踝关节康复并联机构通过将运动中心保持在接近解剖学关节中心的位置，能够在一定程度上匹配人体关节的运动。然而，人体的关节，尤其是颈部和踝关节，具有多关节耦合结构，这种结构会导致不可忽视的伴随运动，即由于关节间运动耦合而产生的非自愿被动位移。根据踝关节的解剖结构和运动学特征，踝关节运动可分为康复所需的主要运动、跟骨与距骨之间的耦合运动，以及沿距骨轴方向的不必要位移。其中，主要运动包括背屈/跖屈、内翻/外翻以及内旋/外旋，是精准轨迹规划的核心对象。而沿距骨轴方向的不必要位移则会带来过大的生物力学负荷，从而导致二次康复损伤，因此需要加以严格约束。远心点机构固定的单一运动中心限制了其模仿这类伴随运动的能力。为解决这一问题，人们基于远心点机构开发了一系列具有不相交但彼此靠近的瞬时旋转轴的康复机构。例如，用于颈部的3-RRS机构、用于踝部的3-UPU机构以及双中心机构，都是通过优化尺寸参数来近似匹配人体关节的伴随运动。这些机器人已具备成熟的柔顺控制策略，能够在其运动范围内提供个性化的柔顺驱动力，而精确的运动学模型则作为内部控制环。然而，由于韧带和其他软组织带来的个性化关节约束，伴随运动具有极高的复杂性和多样性。纯粹的刚性机械结构难以复制这些复杂的运动约束，会在机构的约束空间内产生不必要的相互作用力，阻碍正常的人体运动，而这些由人机不匹配产生的问题也很难通过柔顺控制得到有效补偿。更糟糕的是，这种人机不协调往往无法迅速体现在患者的主观舒适感或生理信号上，从而可能通过慢性二次损伤降低康复效果。因此，开发一种适用于高柔顺性康复机器人系统的新设计-评估方法显得十分迫切。解决刚性机构局限性的最可行方案在于采用刚柔混合机构设计，这种设计能为机器人结构赋予被动柔顺性，以适应复杂多变的多自由度运动。常见的方法包括在机构中集成柔性关节和柔性杆。例如，具有柔性关节的柔顺并联康复机构可以通过弹性变形在人机交互过程中增强被动柔顺性；而带有柔性杆的机构则可以补偿机器与人体旋转中心之间的偏差，从而适应不同体型患者的需求。这类刚柔耦合并联机构虽然提升了康复的柔顺性，但在一定程度上却削弱了实现精准康复功能和保障安全所必需的刚性。其根本原因在于这类机构的固有特性会在主要运动传递空间和不必要的运动空间内引发柔性运动耦合，这种耦合效应会削弱机器人精准驱动主要运动的能力，以及稳定约束不必要的运动的能力。此外，由于缺乏精确的内部运动学模型，也就无法直接应用简单高效的柔顺控制方法。这种固有的柔顺性与刚性之间的权衡，已成为制约柔顺康复机器人发展的关键瓶颈。因此，开发一种能够匹配人体结构、运动学和动力学特性，同时准确适应复杂多变的多自由度运动并保持必要刚性的靶向柔顺康复机构，具有重要的意义且面临巨大挑战。值得注意的是，仿生关节研究的进展为这类靶向柔顺康复机构的设计和创新评估提供了重要启示。通过不断的设计迭代，仿生关节已逐渐实现与人体关节的精准匹配：从满足基本运动范围，到模拟复杂的生理结构，最终再到匹配刚度和阻尼等动态特性。然而，由于受到人机可穿戴配置、驱动布局策略以及柔性身体嵌入方法的限制，现有的仿生关节设计还不适合直接应用于康复机器人开发。幸运的是，通过整合螺旋理论、李群理论和图论等先进的配置合成方法，可以为将仿生关节的结构、运动和约束特性映射到更适合康复场景的并联或串并联混合机构上提供可能，进而实现更具人机兼容性的康复机构。此外，诸如3T2R、3R1T和2R2T等多种运动解耦型并联机构配置，也为开发靶向柔顺并联康复机构的合成方法奠定了必要的理论基础。然而，踝关节复杂多变的多自由度运动特性至今仍未被充分研究，这一差距阻碍了能够模拟此类运动/约束复杂性和多样性的仿生踝关节模型的发展，进而也影响了能够精准适配这些特性的靶向柔顺并联康复机构的设计。本研究旨在建立一种以仿人结构、运动学和动力学特性为核心的靶向柔顺并联机构系统化配置-优化-评估方法。与算法驱动的柔顺控制不同，本文提出的“靶向柔顺性”实际上是指机构自身的内在被动柔顺性，它通过独特的刚柔混合机构设计实现物理运动的解耦。根据踝关节的解剖结构和运动学特性，这种靶向柔顺性被定义为专门用于容纳距骨多自由度运动特性的机构内在柔顺性，仅用于适配个体间的运动差异，而不用于那些需要精准控制的主要运动以及需要严格约束的不必要运动（沿距骨轴方向的位移）。该机构旨在通过被动柔顺性来适应踝关节多自由度运动的复杂性和多样性，同时保留包括精准驱动主要运动、稳定约束不必要运动以及仿人结构特征在内的关键刚性属性。在机构配置层面，这种设计从根本上解决了精准跟踪康复主要运动轨迹与灵活适配个体多自由度运动变化之间的矛盾。本文的主要贡献如下：1）基于仿生原理和实验数据，设计了一种具有闭环模块的可配置仿人踝关节模型，该模型可用于模拟踝关节的复杂结构及多变多自由度运动模式，为靶向柔顺并联机构的配置设计和参数优化提供指导，同时也有助于评估康复机器人的靶向柔顺性。2）提出了一种基于仿人踝关节模型的靶向柔顺并联机构设计与优化方法，该方法可使该机构匹配仿人踝关节的结构-运动学-动力学特性，适应其多变的多自由度运动，同时确保具备精准驱动主要运动和稳定约束不必要运动所需的刚性。3）提出了一种基于仿人踝关节模型的康复机器人靶向柔顺性评估方法。该方法在人机交互中用仿生关节替代人类参与者，从而获取通过人类试验或主观评估无法获得的准确数据，为康复机器人的设计迭代提供精准的方向指导。本文的其余部分结构如下：第2节介绍了集成闭环模块的仿人踝关节模型，用于模拟多种多自由度运动模式；第3节阐述了靶向柔顺并联机构的配置方法，明确了其与仿人踝关节模型的对应关系，核心在于合成源自仿人踝关节模型的刚柔闭环仿人模块，并设计出适合嵌入远心点康复机构中的空间布局，以便精准适配多变的多自由度运动，同时保持所需的刚性；第4节提出了针对靶向柔顺并联机构的尺寸和刚度优化方法，以确保最佳的主动运动传递性能、对仿人多自由度运动的适应能力以及多自由度运动刚度的匹配性；第5节基于具有可切换主动运动模式和可调多自由度运动模式的仿人踝关节模型原型，提出了康复机器人靶向柔顺性评估方法。仿真和实验结果验证了所提出的设计、优化和评估方法的有效性，以及基于该机构的康复机器人的优越性。最后，第6节总结了研究结论，并指出了未来的研究方向。章节片段仿人踝关节模型设计思路与实现本节介绍了用于模拟多种多自由度运动模式的仿人踝关节模型。该模型不仅是靶向柔顺并联机构中柔性模块配置方法的灵感来源，也是该机构尺寸和刚度优化方法的理论基础，更为重要的是，它是用于评估该机构机器人辅助性能的核心工具。靶向柔顺并联机构的配置合成方法靶向柔顺并联机构是一种新型的刚柔混合并联机构，其设计旨在匹配仿人踝关节的特性，既能精准适配多变的多自由度运动，又能满足安全和功能所必需的刚性要求。这些刚性要求包括：1）匹配踝关节骨骼结构，以确保严格约束不必要的运动（沿相当于距骨轴方向的位移）；2）确保输入角度与主动运动角度之间的传动关系不会因柔性部件而受到影响。靶向柔顺并联机构的尺寸与刚度优化方法为进一步提升靶向柔顺并联机构的性能，需对其尺寸以及TF&LF模块的刚度参数进行优化。1）靶向柔顺并联机构的主动运动传动性能直接影响康复运动的安全有效实施。由于该机构的主动运动传动规律与柔性关节的运动无关，因此可以直接通过求解其输入输出运动学模型来建立主动运动传动的数学模型。在此基础上，可进一步开发优化方法。基于仿人踝关节模型的靶向柔顺性性能评估方法为客观评估康复机器人的靶向柔顺性性能，本文利用第2节设计的、能够在不同主动运动模式下模拟多种多自由度运动模式的仿人踝关节模型原型，建立了一种基于该模型的实验评估方法。在人机交互测试中，使用该模型原型替代人类受试者，从而获得更准确的运动和力反馈数据，同时弥补单纯依靠主观舒适度评估的局限性。结论本研究提出了用于踝关节康复的靶向柔顺并联机构概念，并开发了相应的机器人系统，该系统能够精准适配踝关节复杂多变的多自由度运动，同时保持包括精准驱动主动运动、稳定约束不必要运动以及仿人结构一致性在内的核心刚性特性。与传统刚柔耦合型康复机构不同，靶向柔顺并联机构消除了被动柔顺运动对关键功能的干扰。数据可用性本文所述研究未使用任何数据。未引用参考文献[82]CRediT作者贡献说明刘成雷：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，软件，资源，方法论，研究，资金获取，正式分析，数据整理，概念构建。刘晓超：可视化，验证，数据整理。张建军：监督、项目管理、资金筹措、概念设计。施安宇：可视化、验证、数据整理。宋景科：软件开发、调查研究。吕伟林：验证、资金筹措。