摘要：随着助力外骨骼机器人结构的不断发展，运动能量耗散不断地被降低。目前，多种下肢关节的助力外骨骼机器人取得新的进展，然而对于更高能效比助力外骨骼机器人还缺乏有效的参考。提出基于肌肉能量消耗对比，优化设计下肢助力外骨骼机器人的拓扑结构以提高能效比。首先，仿真分析下肢肌肉群在运动过程中的能量耗散；同时为了消除不同质量和负重方式对肌肉群能量耗散的影响，采用无质量主动拓扑结构进行助力，研究在相同速度下对下肢各肌肉群能量耗散对比；再对比已有文献外骨骼顺应性的特点，优化设计下肢助力外骨骼机器人拓扑结构；最后，得到了一个主被动混合助力的拓扑结构的下肢助力外骨骼机器人。无质量主动拓扑仿真计算表明，提出的下肢外骨骼机器人的拓扑结构降低了12.8%的能量耗散。

　　关键词：可穿戴机器人；下肢外骨骼；能量耗散；拓扑优化

　　0引言

　　作为一种能适应非结构环境，如楼梯、丛林、山地等复杂地形的可穿戴装备，下肢外骨骼机器人能有效提高穿戴者的负重能力，而引起人们的研究兴趣[1-3]。通常应用在需要操作者承担超过人体正常承受范围的压力和耐力的作业场景，能够帮助救援人员、士兵、特殊岗位的工人缓解作业强度。已有文献表明，外骨骼机器人取得了重要的发展并应用于各种领域。机械拓扑结构是辅助外骨骼机器人实现助力功能的主体部分，同时也是影响其肌肉群能量耗散及助力效率关键方面[4-6]。

　　Panizzolo等[7]提出一款多关节柔性外骨骼服，实验结果显示柔性多关节外骨骼服也能有效降低肌肉群的激活程度，即降低肌肉群的能量耗散比率。Dembia等[8]基于

　　OpenSim软件使用肌肉骨骼模拟来分析在负重行走时如何影响能量耗散。Chang等[4]提出一款准被动外骨骼，实验结果显示外骨骼可以降低在摆动过程中肌肉群的能量耗散。Zhou等[9]提出的多关节无动力外骨骼，依靠能量回收装置在一个步态循环中能够降低肌肉群8.6%的能量耗散。同时，研究的实验结果也显示，对于不同速度的运动状态无动力外骨骼能够降低的肌肉能量耗散也并不相同[10]。刘王智懿等[11]提出的轻量型柔性下肢助力外骨骼在穿戴行走时人体代谢降低了15%，相比于刚性外骨骼有更好的助力效果和柔顺特性。王存金等[12]设计了一种新型有源无动力踝关节外骨骼，结果显示肌肉群在穿戴后激活度下降8.6%。马春生等[13]针对目前外骨骼膝关节与人体膝关节旋转轴线不重合，提出一种自对齐的并联膝关节结构；Park等[14]不仅研究了髋关节矢状面的助力效果，还通过实验表明在负重过程中通过助力保持平衡使得步行代谢降低11.6%。

　　在结构设计方面，Christensen等[15]提出了一款双四杆并联的外骨骼机构。Wu等[16]对四杆机构的轨迹设计进行了研究。Shen等[17]提出了一种10杆单自由度的外骨骼机械结构。LI H W[18]对外骨骼的结构进行了进一步的设计和研究。本文基于下肢肌肉的能量代谢对比，提出一款主被动混合助力的外骨骼机器人拓扑结构，并基于OpenSim仿真评价了提出结构的有效性。

　　1肌肉代谢成本分析

　　外骨骼设计的前提是掌握人体肌肉在行走过程中的作用机制。肌肉代谢成本的研究是提高外骨骼性能的有效手段之一。实验分析模型是使用简化后的人体简化模型，来源于SIMTK社区的开源公开数据[8]。此外，利用该模型计算并记录行走过程中下肢主要肌肉群的能量消耗。分析下肢主要各肌群的代谢成本，根据代谢成本分为主动辅助、被动辅助、无助力3类。用于计算仿真的简化肌肉模型如图1所示。

　　人类的行走是依靠肌肉群的合作来驱动关节旋转的，所以行走是肌肉有效驱动的结果。在图1中，9组肌肉被简化，从生物学功能上分为对髋关节、膝关节和踝关节的驱动。假设在一个步态行走过程中，左腿和右腿的能量消耗相同，则给出右下肢的肌群消耗。右下肢肌肉群能量消耗如图2所示。

　　在图2中，可以看到一个步态周期中某一时刻的代谢消耗。为了进一步分析，表1给出了各肌肉群的生物功能和代谢比率。

　　从图2（a）中可以看出，hamstrings肌群处于较短的激活状态，但在激活过程中消耗了大量的能量。从表1中可以看出hamstrings肌群代谢耗散占比较高，适合建立主动驱动。肌肉群bifemsh和hamstrings在膝关节中一起工作，所以没有必要建立主动驱动。肌肉群gult所需的激活时间和能量小，不考虑建立主动驱动。

　　在图2（b）中，iliopsoas肌群处于短暂的激活状态，但在激活时消耗大量能量。从表1中可以看出，ilio‐psoas肌群代谢成本比例较高，适合建立主动驱动。rect-fem肌群被激活的时间很长，但峰值很低。从表1中可以看出，rect-fem肌群代谢耗散占比相对较低。vasti肌群活动时间长，但活动过程中的代谢成本低。从表1中可以看出，vasti肌群所占比例适中适合建立被动辅助驱动。

　　从图2（c）可以看出，gastroc肌群处于较短的激活状态，激活过程中的代谢成本并不高。从表1中可以看出，gastroc肌群的代谢成本比中等，适合建立被动辅助驱动。soleus肌群在短时间内被激活，在激活过程中不消耗高能量。从表1中可以看出，soleus肌群代谢成本占比中等，适合建立被动辅助驱动。tib-ant长期处于激活状态，在激活过程中消耗大量能量。从表1中可以看出，tib-ant肌群的代谢成本占比较大，适合建立主动驱动。在图2（d）显示了总代谢耗散和时间关系。

　　2拓扑设计优化

　　机械拓扑结构是外骨骼实现辅助功能的主要部分。对拓扑结构进行设计是必要的。根据肌肉代谢成本的分析，以及肌肉和骨骼的分布关系，建立外骨骼的拓扑结构。在下肢建立的主动驱动助力为电机驱动，被动驱动为无源能量回收装置。

　　2.1优化设计

　　文献报道了多种具有辅助功能的机器人，其中具有代表性的分别是刚性外骨骼、柔性外骨骼和单关节助力外骨骼。刚性外骨骼的拓扑结构通常与人体下肢关节平行。这种拓扑结构的优点是可以将重量经过刚性构件的传导转移到地面，减少骨骼的压力。而且通常安装主动助力，提供额外的行走动力。此外，刚性外骨骼缺点是穿戴者的活动受到很大限制。柔性外骨骼通常是由柔软的缎带或其他柔软的材料制成的。它的工作原理是模仿肌肉驱动的方式，帮助肌肉驱动关节来减少肌肉扭矩，从而减少肌肉代谢成本。缺点是它不能支撑重量，也不能将重量传导到地面。单关节辅助机构有主动动力、弹性势能和被动动力两种形式。单关节辅助设计满足了辅助轻载的要求，其优点是结构相对简单舒适。对全身的辅助作用一般，仅用于预防或缓解某些职业病。

　　基于3种外骨骼的优点，对外骨骼的拓扑结构进行了重新优化。同时，结合初步拓扑设计的结论，得到优化后的拓扑结构如图3所示。

　　在人体的大腿部位，肌肉群的主动助力拓扑结构对穿戴舒适性的影响相对较小。但需要特别注意，助力应在膝关节处建立，

　　而不是在髋关节。据对外骨骼机器人的现有分析，小腿部位的肌肉群在主动助力下对穿戴舒适性的影响较大。因此，小腿部位的肌肉群适合建立被动助力的拓扑结构，而非主动。为了实现更好的穿戴舒适性，需要深入分析现有的外骨骼辅助机器人技术和肌肉能量消耗的情况，从而建立更为优化的拓扑结构。髋关节在助力拓扑结构的建立上则无需过多关注。对于膝关节和踝关节，伸展和内屈动作分别适合建立主动和被动助力的拓扑结构，以达到最佳的穿戴体验。

　　2.2辅助效果模拟

　　在拓扑优化的基础上，将右下肢加入肌肉模型。在运动学不变性的前提下，仿真输出右下肢肌肉群的运动结果。与图2中的无辅助肌肉代谢图进行对比。

　　从图4（a）、图4（h）、图4（i）可以看出，ham‐strings、soleus、tib-ant肌群的高频激活状态得到了有效缓解，密集激活区域的峰值得到了有效降低。这是因为合理使用主动助力和被动能量回收降低了hamstrings、soleus、tib-ant肌群的代谢成本。

　　在图4（b）、图4（d）、图4（g）可以看出，bi‐femsh、iliopsoas和gastroc肌群中主动动力与被动弹簧的合理配合，降低了肌群的峰值代谢成本。同时，肌肉群的峰值代谢成本也有一定程度的降低。

　　在图4（c）、图4（e）、图4（f）中可以看出，guli、rect-fem和vasti肌群的峰值代谢成本分别下降，而其他变化并不明显。原因是这3组肌肉只作用于髋关节，不产生主动或被动支撑。

　　从图4中能看出助力前后的对比，但对于总能量的对比不能有效看出，而且经过助力后的各肌肉群的消耗占比也不能直接看出，所以给出总能量的对比和占比消耗，如图5和表2所示。从图5中可以看出总能量的消耗下降情况，经过计算发现总能量下降12.8%。

　　3结束语

　　本文基于人体肌肉能量消耗的角度，研究了在相同速度下人体下肢肌肉群的能量消耗。基于各肌肉群能量消耗的实际情况和肌肉群的生物功能，提出了下肢助力外骨骼机器人的拓扑结构。对构型进行了优化设计在分析了典型助力外骨骼的优缺点，得到一款两自由度的下肢助力外骨骼机器人的拓扑结构，结论如下。

　　（1）对人体肌肉群进行了能量耗散的研究，与现有的下肢外骨骼机器人相比，设计实验模型排除了质量分布对能量耗散的影响。

　　（2）设计了一款两自由度的助力外骨骼机器人，构型简单易于控制。进行助力效果的仿真时，发现在单腿的助力模式下总体能量消耗减少12.8%。

　　现有的外骨骼设计理念可以进一步扩展到其他功能的助力外骨骼，提高外骨骼设计的精细化能力。设计的两自由度外骨骼可以进一步扩展到上肢关节和上肢肌肉群的助力，这一工作就在将来的工作中考虑。同时，样机的设计也在将来的工作考虑。

　　参考文献：

　　[1]赵新刚,谈晓伟,张弼.柔性下肢外骨骼机器人研究进展及关键技术分析[J].机器人,2020,42(3):365-384.

　　[2]姚玉峰,杨云龙,郭军龙,等.膝关节术后康复训练机器人研究综述[J].机械工程学报,2021,57(5):1-18.

　　[3]赵允豪,刘博,王昊,等.肩部康复外骨骼机构设计与运动学分析[J].机电工程技术,2022,51(11):47-50.

　　[4]CHANG Y,WANG W,FU C.A lower limb exoskeleton recycling energy from knee and ankle joints to assist push-off[J].Journal of Mechanisms and Robotics-Transactions of the ASME,2020,12(5):051011_ 1-10.

　　[5]杨灿军,彭桢哲,徐铃辉,等.柔性膝关节保护外骨骼及其行走助力方法设计[J].浙江大学学报:工学版,2021,55(2):213-221.

　　[6]吴嘉鑫,韩亚丽,柯泽阳,等.柔性外骨骼机器人技术研究[J].机电工程技术,2021,50(2):127-129.

　　[7]Panizzolo F A,Galiana I,Asbeck A T,et al.A biologically-in‐spired multi-joint soft exosuit that can reduce the energy cost of loaded walking[J].Journal of Neuroengineering and Rehabilita‐tion,2016,13(1):43-56.

　　[8]Dembia C L,Silder A,Uchida T K,et al.Simulating ideal assis‐tive devices to reduce the metabolic cost of walking with heavy loads[J].PLoS ONE,2017,12(7):e0180320_ 1-25.

　　[9]Zhou T,Xiong C,Zhang J,et al.Regulating metabolic energy among joints during human walking using a multiarticular unpow‐ered exoskeleton[J].IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering,2021,29:662-672.

　　[10]Zhou T C,Xiong C H,Zhang J J,et al.Reducing the metabolic energy of walking and running using an unpowered hip exoskel‐eton[J].Journal of Neuroengineering and Rehabilitation,2021,18(95):1-15.

　　[11]刘王智懿,郑银环,孙健铨,等.轻量型柔性下肢助力外骨骼的设计及性能实验[J].机器人,2021(43):433-442.

　　[12]王存金,董林杰,李杰,等.基于人行走能耗分析的踝关节外骨骼设计[J].机械工程学报,2021,57(19):79-92.

　　[13]马春生,尹晓秦,马振东,等.下肢外骨骼的膝关节轴线自适应设计与尺度综合[J].兵工学报,2022,43(3):653-660.

　　[14]Park J,Nam K,Yun J,et al.Effect of hip abduction assistance on metabolic cost and balance during human walking[J].Sci‐ence Robotics 2023,8(83):eade0876.

　　[15]Christensen S,Bai S.Kinematic analysis and design of a novel shoulder exoskeleton using a double parallelogram linkage[J].Journal of Mechanisms and Robotics-Transactions of the ASME,2018,10(4):041008_ 1-10.

　　[16]Wu R,Li R,Bai S.A fully analytical method for coupler-curve synthesis of planar four-bar linkages[J].Mechanism and Ma‐chine Theory,2021,155:104070_ 1-9.

　　[17]Shen Z,Allison G,Cui L.An integrated type and dimensional synthesis method to design one degree-of-freedom planar link‐ages with only revolute joints for exoskeletons[J].Journal of Me‐chanical Design,2018,140(9):092302_ 1-12.

　　[18]Li H W,Sui D B,Ju H T,et al.Mechanical Compliance and Dy‐namic Load Isolation Design of Lower Limb Exoskeleton for Lo‐comotion Assistance[J].IEEE-ASME Transactions On Mecha‐tronics,2022,27(6):5392-5402.