单尺寸机械自对准上肢外oskeleton的设计与评估

《Robotica》：Design and evaluation of a single-size mechanically self-aligning upper limb exoskeleton

　　

本研究描述了一种无需个性化调整即可自适应佩戴者体型的上肢辅助外骨骼的设计与验证。该设备可在外骨骼关节与受试者关节未对齐的情况下提供辅助功能，因此在穿戴阶段无需个性化调节。装置由远端铰接系统与朝向身体节段的棱柱形接口组成，并采用柔性近端架构将驱动单元转移至骨盆区域，以减少对人体重心的干扰。实验室活体实验表明该设备可有效减轻肌肉负荷，针对老年人群的家庭场景日常活动实验显示出优异的感知可用性与接受度。此外，研究人员提出的生物力学模型可估算辅助阶段外骨骼限制受试者关节约束反力的能力。

随着全球老龄化加剧及肢体残疾人口比例上升，辅助技术成为维持老年人与残障群体独立生活能力的关键。传统上肢外骨骼需严格匹配人体关节运动学，若存在关节错位会导致代偿运动、肌肉劳损甚至损伤，且多数设备依赖复杂的个性化校准流程，限制了大规模应用。针对上述痛点，研究人员设计了一种单尺寸机械自对准上肢外骨骼，通过创新机构设计实现穿戴后自动适配不同体型，相关成果发表于《Robotica》。

关键技术方法包括：基于美国陆军ANSUR II人体测量数据库（涵盖6082名成年军人93项身体尺寸参数）完成机构尺度综合；采用含棱柱副的连杆-曲柄机构实现关节力解耦传递，避免剪切力作用于人体关节；驱动单元后置至骨盆区域，结合可变速传动（Variable Speed Transmission, VST）与柔性传动梁降低重心偏移；控制层面采用带时延估计（Time Delay Estimation, TDE）的改进PD控制器实现轨迹跟踪；通过30名老年受试者（平均年龄77.5±3.8岁）的实验室肌电（Electromyography, EMG）测试与家庭日常活动（Activities of Daily Living, ADL）问卷评估安全性与可用性。

研究结果如下：

1. 1.
   问题定义部分明确了上肢运动学复杂性：肩复合体包含胸锁关节、肩锁关节、肩胛胸壁关节与盂肱关节，存在肩胛肱骨节律（scapulohumeral rhythm），且各关节活动度（Range of Motion, ROM）存在个体差异。研究将辅助聚焦于最耗能的提升平面，简化设计同时不影响辅助效能。
2. 2.
   材料与方法部分完成了机构设计：远端机制采用连杆-曲柄-滑块构型，通过棱柱副仅传递垂直于肢体方向的力，避免产生剪切载荷；近端机制将电机与VST置于骨盆，通过柔性传动梁与球面关节实现躯干自由度（屈伸、侧屈、旋转）的解耦；原型采用PET-G与PLA材料熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）打印，通过有限元法（Finite Element Method, FEM）验证静态与疲劳强度，安全系数分别取≥2与≥3；控制算法采用带TDE的PD控制器，采样频率1kHz，实现关节轨迹跟踪误差控制在可接受范围。
3. 3.
   关节效应部分建立生物力学模型：量化肘部关节反力构成，包含外部载荷、肌肉收缩与软组织贡献，证实外骨骼仅通过提供切向辅助力减少肌肉共收缩，从而降低关节负荷，不产生直接关节约束力。
4. 4.
   活体实验部分验证了效能：30名受试者肘屈伸任务中，佩戴外骨骼时肱二头肌积分肌电（integrated Electromyography, iEMG）较无外骨骼时下降59.4%（p<10^-3，Clifford δ=-0.82）；家庭ADL测试中系统可用性量表（System Usability Scale, SUS）得分91.7±9.4，魁北克辅助技术满意度评估（Quebec User Evaluation of Satisfaction with Assistive Technology, QUEST）得分4.6±0.4，辅助设备心理社会影响量表（Psychosocial Impact of Assistive Devices Scale, PIADS）得分2.53±0.41，均显示优异的接受度。

讨论部分指出，该研究首次将大样本（n=30）可用性评估与家庭场景测试结合，解决了现有研究多局限于实验室环境、样本量小的局限。外骨骼通过机械自对准设计消除了穿戴校准需求，为大规模推广提供了可能。但长期佩戴的肌肉代偿效应、心血管负荷及紧急停机机制仍需进一步研究。结论部分强调：该单尺寸自对准上肢外骨骼可有效降低轻载提升任务的肌肉激活与关节负荷，在老年人群中具备优异的可用性与接受度，为辅助技术的普惠化提供了新范式。