行走过程中外骨骼辅助的人在环优化


  张娟娟等在影响因子27.541分的一区期刊《Science Robotics》发表了一遍《Human-in-the-loop optimization of exoskeleton assistance during walking》研究,该研究于2017年发表,作者包括 Juanjuan Zhang; Pieter Fiers; Kirby A. Witte; Rachel W. Jackson; Katherine L. Poggensee; Christopher G. Atkeson; Steven H. Collins。

 

1、研究背景

 

  一个多世纪以来,发明家和科学家已经开发出旨在改善人类运动性能的外骨骼和活动假肢,特别是在能源经济方面,然而,很少方法是成功的。与基于模拟预期的潜在收益相比,仅实现了适度的增强。

 

  自动发现、定制和不断调整辅助的方法可以克服这些挑战,使外骨骼和假肢发挥其潜力。我们开发了在使用过程中系统地改变设备控制以最大限度地提高人类绩效的方法,我们称之为“人在环优化”(Human in the loop optimization)。这种技术可以从人类那里获得灵感,人类自然会优化他们的协调模式,以提高能量成本和运动性能的其他方面。

 

  为了创制更个性化、更有效的外骨骼,张娟娟与美国卡内基·梅隆大学研究人员一起研发了一种私人定制方法。该方法能根据人体代谢耗能在线调节外骨骼的助力模式,找到适合用户的最优模式。本文开发了一种有效的样本方法来识别外骨骼控制参数,从而最大限度地减少人类行走的代谢能量成本(图 1)。在优化过程中,用户在外骨骼应用辅助下行走。外骨骼周期性地改变由控制定律定义的辅助模式,同时测量代谢率。

 

行走过程中外骨骼辅助的人在环优化

图1 人在环优化示意图

 

2、研究方法

 

  实验中11参与者以正常速度(1.25 m s-1)在Bertec三维测力跑台上行走时(图2),该系统以4个参数改变脚踝外骨骼协助行走的方式:最大助力、出现最大助力的时间、助力从零增至最大值的时长和从最大值回降至零的时长。行走约1小时这一过程中,该系统用一个模仿自然选择的优化方法,不断改变助力模式并进行优胜劣汰,最终确定适合此人的最优模式。

 

行走过程中外骨骼辅助的人在环优化

图2 外骨骼模拟器系统

 

3、研究结果

 

  优化的辅助将步行的代谢成本降低到 2.16 ± 0.38 W kg-1,11名受试者的行走能耗对比无助力模式平均减少了24%,在零扭矩模式下穿着外骨骼比穿着没有外骨骼的普通鞋子行走的成本高出约 10%(图 B),这表明与普通鞋子相比,优化辅助的净改善约为 14%。优化的辅助大大提高了所有参与者的能源经济性。参与者之间的优化值差异很大(图 3C),这表明了定制的重要性。

 

行走过程中外骨骼辅助的人在环优化

图3 实验结果 (A)每种情况下步行的代谢能量消耗,(B)之前文献中的图,(C)优化控制参数值

 

4、结论

 

  本文提出一种外骨骼系统的优化方法,能为使用者量身定制最优助力模式,从而结束了外骨骼系统均码的历史。在对健康参与者的测试中,与无助力系统(此时外骨骼相当于一只较重的鞋)相比,优化的单脚脚踝外骨骼令行走时能耗减少24%。

 

  参考文献:Zhang J, Fiers P, Witte KA, et al. Human-in-the-loop optimization of exoskeleton assistance during walking. Science. 2017;356(6344):1280-1284. doi:10.1126/science.aal5054

 

关键词:

外骨骼,假肢,人体循环优化,维拓启创

不同坡度中速跑对人体下肢三关节生物力学及做功模式的影响

本研究使用三维测力分析测力跑台(Bertec,USA,1000Hz)及红外运动捕捉系统(Vicon,100Hz)采集 16 名健康男性运动爱好者在 7 个坡度及中等速度(2.78m/s)条件下跑步时的运动学和动力学数据。研究跑步坡度改变后,下肢刚度及关节做功贡献度的变化规律以及对运动损伤发生率和运动表现提升的潜在影响。

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