线性作动器驱动的并联腰椎外骨骼的几何自适应运动学及实验验证

《Actuators》：Geometry-Adaptive Kinematics and Experimental Validation of a Linear-Actuator-Driven Parallel Lumbar Exoskeleton

　　

可穿戴腰椎康复外骨骼需要具备体型适应性与确定性的运动学建模能力。可调穿戴结构会改变作动器锚点位置，使固定几何逆运动学模型产生不一致。本研究提出一种采用分体半环（split semi-ring）可变宽度平台的线性作动器驱动并联腰椎外骨骼。将横向开口增量 h1 与 h2 引入锚点坐标以重建穿戴后几何。研究人员建立了几何自适应运动学模型，将任务空间运动映射为作动器空间指令。多体仿真表明：与固定几何模型相比，该方法将位置 RMSE 从 1.30 mm 降至 0.32 mm，姿态 RMSE 从 0.62° 降至 0.05°。三名健康成年男性受试者的人体穿戴实验中，全局作动器位移 RMSE 为 0.08–0.09 mm，任务空间位置 RMSE 为 4.73–7.64 mm，姿态 RMSE 为 0.71°–1.09°。上述任务空间误差表征的是由光学标记簇测得的外骨骼平台运动，而非直接测得的解剖学腰椎运动。刚性测试台验证将运动学机构与人机接口柔顺性隔离；与固定几何假设相比，其位置与姿态 RMSE 均进一步降低。这些结果证明了具有横向宽度可调能力的腰椎外骨骼架构与模型的可行性。

论文解读：线性作动器驱动并联腰椎外骨骼的几何自适应运动学及实验验证

研究背景方面，腰痛是全球长期活动受限与康复需求的重要原因。慢性腰痛康复常采用基于运动的训练，包括屈曲/伸展、侧屈与环形画八（figure-eight circumduction）等方向特异性躯干运动。现有可穿戴腰背设备多用于职业助力、减负与工效支持，其目标并非生成可重复、可量化的多自由度（DOF）康复轨迹。并联或多分支机器人架构可通过多条主动支链连接上躯干与骨盆区，具备紧凑多DOF运动生成、高承载与明确任务到作动器映射能力。已有 Stewart–Gough 类脊柱外骨骼、4-UPS+PS、4-SPU/SP、4-UPS/RRR 及六自由度腰椎外骨骼等研究。腰带式架构如 Japet.W 采用四根线性作动器与纺织带，穿戴柔顺但难以在确定性的多DOF锚点重建上保持稳定；刚性闭环平台可提供稳定几何参考，但固定尺寸难以适应不同腰盆宽度。因此，可穿戴腰椎康复系统存在体型适应性与确定性多DOF轨迹控制之间的根本权衡。

研究人员开展的研究是：提出一种分体半环可变宽度平台的线性作动器驱动并联腰椎外骨骼，并建立基于横向下开口的几何自适应运动学模型。下平台绕骨盆、上平台绕上躯干布置，六条 6-UPS（universal-prismatic-spherical，虎克-移动-球铰）支链实现上平台相对下平台六自由度运动。左右半环由横向直线导轨副连接，BOA 系带系统提供锁紧力；佩戴锁固后，横向滑动被约束，铰链点保持在刚性模块上。研究人员将上、下平台有效横向间隙记为可测几何变量，并用于重建上下锚点坐标。人体穿戴实验受试者为三名具有不同人体测量尺寸的健康的成年男性（healthy adult male）志愿者。主要关键技术方法包括：第一，分体半环横向适应结构，用横向导轨释放宽度约束而保留局部刚性锚点；第二，横向下开口锚点重建，将 h₁、h₂ 作为配置相关运动学参数写入锚点坐标；第三，几何自适应逆运动学，以姿态旋转矩阵 R 与平移向量 t 计算第 i 条支链长度 L_i 及相对中立位位移 d_i；第四，任务到作动器轨迹生成，用参数化角函数生成屈曲/伸展、侧屈与画八轨迹，并经二阶巴特沃斯低通滤波；第五，作动器空间 PD 加前馈跟踪，前馈采用未知系统动态估计器（USDE）补偿摩擦与扰动，通过 FDCAN 总线下发位移、速度、刚度、阻尼与补偿力指令。

研究结果如下。第 2 节线性作动器驱动并联腰椎外骨骼架构：研究人员通过分体半环平台与 6-UPS 支链，说明该架构可在横向适应人体的同时保留局部刚性锚点，并为作动器空间指令生成提供明确变量。第 3 节几何自适应运动学建模：通过基坐标系与动平台坐标系、标称锚点、横向间隙重构公式，建立几何自适应逆运动学；微分映射分析表明，未建模横向间隙误差会通过左右对侧支链差动机动主要引起偏航（yaw）方向姿态偏差，从而证明更新 h₁、h₂ 对消除跨体型系统误差是必要的。第 4 节几何自适应任务到作动器轨迹生成与跟踪实现：研究人员以等效康复中心生成任务空间姿态与位置，再用几何自适应逆运动学映射为六路作动器位移与速度参考，并在嵌入式驱动器上以位置刚度 K_p 与速度阻尼 K_d 实现局部跟踪。第 5 节仿真研究：在 Simscape Multibody 中构建多体模型，以全闭、中间、宽态三种实际间隙测试五类模型组合；结果显示仅当模型假设与实际穿戴几何一致时误差最小，固定几何模型在间隙不匹配时产生显著位置与姿态误差，验证了锚点重建的必要性。第 6 节样机实验：人体穿戴实验中三名健康成年男性在屈曲/伸展、侧屈、画八轨迹下，作动器位移 RMSE 为 0.08–0.09 mm，任务空间位置 RMSE 为 4.73–7.64 mm，姿态 RMSE 为 0.71°–1.09°；误差主要来自 Y 向薄板支架柔性与绑带接口柔顺，不代表解剖腰椎直接运动。刚性测试台实验在固定实际间隙下比较固定几何与几何自适应指令，结果表明几何自适应模型可正确重建锚点并显著降低模型诱导的任务空间误差。

讨论部分指出，几何自适应模型解决了并联腰椎外骨骼中穿戴引起的几何不一致问题；刚态测试台隔离了人体柔顺性，证明运动学映射误差可被有效消除。人体穿戴的任务空间位置误差大于仿真与测试台，主要源于软组织柔顺、绑带微滑、躯干阻抗与 3D 打印支架挠曲，而非运动学公式失效。角轨迹导向是康复主要目标，所得姿态 RMSE 相对处方活动范围误差较小，证明指令旋转轨迹特征被保留。论文也说明临床可接受跟踪阈值尚待确立，后续将加入表面肌电（sEMG）、接口压力映射与耦合人—外骨骼动态及柔顺力/阻抗控制。

结论部分翻译：本研究提出一种用于可穿戴腰椎康复、带分体半环可变宽度平台的线性作动器驱动并联外骨骼，以及基于横向下开口的几何自适应运动学建模方法。多体仿真与三名健康成年男性人体穿戴实验表明，该方法可在不同体型下重建锚点几何，并将作动器空间与任务空间跟踪误差控制在可行范围；刚性测试台进一步证明，相比固定几何假设，几何自适应模型能消除由横向宽度变化引起的系统运动学畸变。该概念验证研究为具有横向宽度可调能力的腰椎外骨骼架构与模型提供了可行性依据，对推动确定性、可量化、体型自适应的腰椎康复机器人研究具有意义。论文发表于《Actuators》。