汪志航，喻洪流，石 萍

下腰痛是一種常見的疾病，在人的一生中，有85 %的人都經(jīng)歷過腰疼[1]。據(jù)中國衛(wèi)生部門統(tǒng)計(jì)，中國腰痛患者已突破2億，約占全國總?cè)藬?shù)的15.2%[2]。腰痛影響著個(gè)人生存質(zhì)量，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致殘疾，而且因?yàn)獒t(yī)療費(fèi)用和勞動(dòng)力損失，腰痛對醫(yī)療事業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)造成了很大的損害[3，4]。約37%下腰痛是由職業(yè)因素如重體力工作、長時(shí)間勞作等所造成的[5]。其中反復(fù)舉起和搬運(yùn)重物是下腰痛的主要危險(xiǎn)因素。與下腰痛的治療不同，輔助裝置通過為人體增加機(jī)械動(dòng)力、減少腰背部肌肉活動(dòng)度從而降低下腰痛的風(fēng)險(xiǎn)[6]。所以小型便攜的穿戴式外骨骼被人們所關(guān)注。各種主、被動(dòng)腰椎外骨骼被開發(fā)出來，例如PLAD[7]（personal lift augmentation device）、SPEXOR[8]、H-WEX v2[9]和Robo-Mate[10]。PLAD是被動(dòng)外骨骼，不需要外部電源來工作，它主要是在穿戴者彎腰提物動(dòng)作時(shí)給予力的輔助，從而降低穿戴者腰痛的風(fēng)險(xiǎn)；SPEXO同樣是被動(dòng)腰椎外骨骼，也是對彎腰提物進(jìn)行助力，它使用了線圈彈簧和柔性梁來提供動(dòng)力，大大減小了設(shè)備的質(zhì)量；H-WEX v2和Robo-Mate則是主動(dòng)外骨骼，HWEX v2使用了線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能，可進(jìn)行精細(xì)的力控制；Robo-Mate使用的是彈性驅(qū)動(dòng)器，它為佩戴者提供了更大的活動(dòng)范圍，使其不妨礙日常生活。但這些外骨骼都只是簡單地起到助力輔助的作用，不能為使用者提供相應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練。而且它們都采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，不能滿足腰部單關(guān)節(jié)多自由度耦合運(yùn)動(dòng)的需求。從生物力學(xué)的角度來看，并聯(lián)機(jī)構(gòu)正好可以滿足腰部運(yùn)動(dòng)的耦合性。因此，有必要設(shè)計(jì)一款基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的便攜、舒適、具有康復(fù)訓(xùn)練的助力牽引腰椎外骨骼。

筆者開發(fā)了一款智能腰椎外骨骼，采用4-SPS/SP（spherical joint：球形關(guān)節(jié)；prismatic joint：移動(dòng)關(guān)節(jié)）并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對腰椎的助力牽引、屈伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)，可單獨(dú)或組合完成，以期達(dá)到緩解腰部疲勞、降低疼痛發(fā)生概率的目的。同時(shí)，設(shè)計(jì)了上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了使用者康復(fù)訓(xùn)練信息的上傳和儲存，方便醫(yī)生查看和分析。

1 材料與方法

1.1 智能腰椎外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能腰椎外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括主體設(shè)計(jì)、綁帶設(shè)計(jì)和動(dòng)力模塊設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的腰椎外骨骼根據(jù)Stewart平臺改進(jìn)，采用4-SPS/SP機(jī)構(gòu)，由圍繞軀干的2個(gè)環(huán)組成上下平臺，共有4個(gè)主動(dòng)自由度。這2個(gè)環(huán)使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（acrylonitrile butadiene styrene，ABS）材料進(jìn)行三維（three dimensional，3D）打印并通過用于調(diào)節(jié)尺寸的調(diào)節(jié)帶、子母扣連接而成，可以根據(jù)人的體質(zhì)量調(diào)節(jié)環(huán)的大小。上下平臺之間使用4個(gè)帶有SPS配置的支鏈，即支鏈與上下平臺連接處是球軸承（S），支鏈本身是移動(dòng)關(guān)節(jié)（P）。約束鏈SP代表了人體脊柱的運(yùn)動(dòng)。上下平臺之間的每個(gè)支鏈上都裝有線性執(zhí)行器Actuonix-L16型的電動(dòng)推桿，連接到小型的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以控制執(zhí)行器的長度或力。每個(gè)執(zhí)行器內(nèi)都有一個(gè)集成的線性電位器，并與壓力傳感器串聯(lián)。見圖1。

圖1 智能腰椎外骨骼整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure diagram of intelligent lumbar exoskeleton

1.2 智能腰椎外骨骼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能腰椎外骨骼的控制系統(tǒng)（圖2）是整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的核心，實(shí)現(xiàn)各種模式下的康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的傳輸。用戶通過智能終端設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)，包括康復(fù)訓(xùn)練模式、角度、拉力和訓(xùn)練時(shí)間，無線保真（wireless fidelity，WiFi）通信模塊ESP8266對參數(shù)進(jìn)行解碼并傳輸至微控制器。微控制器通過標(biāo)準(zhǔn)485（recommended standard-485，RS-485）通信協(xié)議將驅(qū)動(dòng)指令傳給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制4根電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)助力牽引和不同模式的康復(fù)訓(xùn)練。同時(shí)，用戶每次使用外骨骼，系統(tǒng)都會通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（analog-to-digital convert，ADC）模塊采集訓(xùn)練數(shù)據(jù)（角度、壓力、訓(xùn)練時(shí)間），通過信號處理器處理后會記錄下來再傳送到上位機(jī)，用于醫(yī)生進(jìn)行分析后制定更加合理的康復(fù)方案。

圖2 智能腰椎牽引外骨骼控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Block diagram of intelligent lumbar traction exoskeleton control system

1.3 智能腰椎外骨骼系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

1.3.1 主控制及系統(tǒng)供電

由于智能腰椎外骨骼便攜的特點(diǎn)，所以要求控制系統(tǒng)要相對集成化。這就對主控制系統(tǒng)芯片的性能和功耗有了一定的要求。主芯片不僅需要能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供定時(shí)器、外部中斷和直接存儲器存取（direct memory access，DMA）等功能，在數(shù)據(jù)傳輸上還得支持RS-485和串口等通信協(xié)議。智能腰椎外骨骼在實(shí)現(xiàn)基本功能的同時(shí)，還需要通過高分辨率的ADC轉(zhuǎn)換器采集信號。所以該系統(tǒng)采用了ST公司的ARM系列Cortex-M3內(nèi)核32位單片機(jī)STM32F103ZET6作為整個(gè)系統(tǒng)的主芯片。

電源是整個(gè)系統(tǒng)能夠運(yùn)行的基礎(chǔ)，電路的安全性是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先需要考慮的。智能腰椎外骨骼控制系統(tǒng)中各個(gè)硬件設(shè)備的工作電壓都不相同，所以電源電壓需要經(jīng)過多次變換。220 V交流電壓經(jīng)過適配器輸出12 V直流電壓到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和直流電機(jī)，12 V電壓通過LM2576芯片做直流轉(zhuǎn)直流（direct current to direct current，DC-DC）變換為5 V電壓為壓力傳感器供電。主芯片及其外圍電路的工作電壓為3.3 V，所以5 V電壓再通過DC-DC變換為3.3 V電壓為主芯片供電，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)。電源模塊的電路原理圖如圖3所示。

圖3 電源模塊電路原理圖Fig.3 Circuit schematic diagrams of power module

1.3.2 驅(qū)動(dòng)模塊和執(zhí)行元件

智能腰椎外骨骼系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模塊采用的是AQMD2410NS直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器使用了電機(jī)回路電流檢測技術(shù)，自帶電流環(huán)反饋，同時(shí)支持RS-485多站通信和現(xiàn)場總線遠(yuǎn)程中斷控制（modbus remote terminal unit，Modbus-RTU）通信協(xié)議，方便通過主芯片進(jìn)行通信控制。在調(diào)速方面也支持脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）調(diào)速、力矩控制等多種調(diào)速方式?？刂葡到y(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件采用的是Actuonix-L16電動(dòng)推桿，它包含了線性運(yùn)動(dòng)裝置與位置反饋及復(fù)雜的位置控制能力。電動(dòng)推桿的設(shè)計(jì)是沿著整個(gè)行程長度上推動(dòng)或拉動(dòng)負(fù)載，它的速度是由所施加的載荷決定的，可以通過降低驅(qū)動(dòng)電壓來降低。當(dāng)電源被移除時(shí)，電動(dòng)推桿將保持其位置。

1.3.3 人機(jī)交互

人機(jī)交互模塊可以完成人與設(shè)備的信息傳遞與交流，通過上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的雙向通信功能。該系統(tǒng)配備了WiFi模塊ESP8266，上位機(jī)可以通過ESP8266連接主控制器，然后通過傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol，TCP）向主控制器發(fā)送指令，調(diào)試、操作設(shè)備。同時(shí)，設(shè)備也能通過模塊向上位機(jī)發(fā)送訓(xùn)練數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向通信。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)搭建完成后，需要合適的軟件設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)設(shè)想的各種功能。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括主芯片與各模塊之間的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸、傳感器信號的采集及上位機(jī)的設(shè)計(jì)和控制。整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Software design flow chart of control system

當(dāng)按下電源鍵時(shí)，智能腰椎外骨骼開始工作，所有模塊進(jìn)行初始化，隨后檢測各個(gè)模塊是否正常運(yùn)行。一切就緒后，系統(tǒng)等待上位機(jī)的指令并在之后進(jìn)入患者選擇模式?；颊咴谶x擇助力牽引、屈伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)4種模式時(shí)可以設(shè)定不同的參數(shù)（助力牽引方向?yàn)榭v向，只需設(shè)定壓力值，其余模式設(shè)定角度值）。設(shè)定完這些參數(shù)后，主控制器通過RS-485通信協(xié)議與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信，設(shè)置電機(jī)運(yùn)行模式為PWM調(diào)速模式或力矩模式，同時(shí)與電位計(jì)和壓力傳感器完成閉環(huán)控制，然后設(shè)備開始執(zhí)行不同模式對應(yīng)的動(dòng)作。牽引開始后，患者可以自主選擇訓(xùn)練是否結(jié)束。當(dāng)進(jìn)入更改模式后，主控制器接收信號，先將電動(dòng)推桿復(fù)位，然后再根據(jù)患者選擇的模式執(zhí)行動(dòng)作?？祻?fù)訓(xùn)練結(jié)束后，傳感器采集到的信號和訓(xùn)練時(shí)間會通過WiFi模塊上傳給上位機(jī)，方便日后醫(yī)生的康復(fù)評估。

1.5 性能測試

為了確定智能腰椎外骨骼在不同模式下康復(fù)訓(xùn)練的角度能否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求（該設(shè)計(jì)要求由醫(yī)師設(shè)定）及測量助力牽引下的拉力大小，進(jìn)行了角度和拉力的測試。將智能腰椎外骨骼放置在測試平臺上，通過姿態(tài)傳感器和電動(dòng)推桿中的電位計(jì)采集不同模式下的執(zhí)行角度；通過壓力傳感器采集助力牽引下拉力的大小。同時(shí)，對該外骨骼的安全性也進(jìn)行了測試。

1.6 助力牽引功能驗(yàn)證試驗(yàn)

研究表明，當(dāng)疼痛發(fā)生時(shí)，身體會通過收縮肌肉來保護(hù)自己[11]。所以通過測量腰部的肌電信號來評價(jià)腰椎的功能和治療效果。為了證明智能腰椎外骨骼的功能，選擇10例無脊柱疾病史的健康男性受試者，平均年齡26.1歲（標(biāo)準(zhǔn)差3.7歲），平均身高172.3 cm（標(biāo)準(zhǔn)差5.57 cm），平均體質(zhì)量62.5 kg（標(biāo)準(zhǔn)差5.72 kg）。使用了高精度肌電信號采集系統(tǒng)Noraxon為每例受試者采集肌電信號，采樣頻率1 500 Hz。

根據(jù)以往的研究[12，13]，肌電電極貼在受試者的胸椎豎脊?。╰horacic erector spinae，TES）T9棘突外5 cm和腰椎豎脊肌（lumbar erector spinae，LES）L3棘突外3 cm（圖5A）。放置電極的地方用75 %乙醇溶液擦拭，以改善皮膚和電極之間的接觸，提高肌電圖數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

試驗(yàn)分為2組：一組（無助力組）是在穿戴智能腰椎外骨骼但無助力牽引的情況下進(jìn)行，一組（助力組）是在穿戴智能腰椎外骨骼助力牽引的情況下進(jìn)行，受試者穿戴智能腰椎外骨骼如圖5B所示。試驗(yàn)開始后，受試者先全身呈放松狀態(tài)，雙腳與肩同寬，保持5 s；然后5 s內(nèi)雙手將桌子上的10 kg箱子從腰部舉到胸部，保持舉重狀態(tài)5 s；最后在5 s內(nèi)把箱子放下，身體站立5 s。每個(gè)受試者循環(huán)5次，相鄰舉重任務(wù)之間有10 min的休息時(shí)間，以確保受試者TES和LES肌肉得到了充分的休息。

圖5 肌電電極放置位置（A）與受試者穿戴智能腰椎外骨骼（B）圖Fig.5 Images of EMG electrode position(A)and subject wearing intelligent lumbar exoskeleton(B)

試驗(yàn)獲得的肌電信號應(yīng)用10～500 Hz的帶通濾波器去除非表面肌電偽影，再應(yīng)用50 Hz陷波器來消除工頻干擾，然后對信號進(jìn)行整流，并在10 ms的滑動(dòng)窗口內(nèi)進(jìn)行均方根包絡(luò)。每個(gè)通道的肌電信號計(jì)算RMS并進(jìn)行歸一化處理。

其中：Xi是信號的第i個(gè)樣本；N是期間的樣本數(shù)；RMS_peak是肌電信號的最高均方根值。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。所有的定量均以平均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用配對樣本t檢驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。顯著性水平為P<0.05的檢驗(yàn)結(jié)果均認(rèn)為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 智能腰椎外骨骼性能測試

智能腰椎外骨骼執(zhí)行屈曲伸展、側(cè)向彎曲及軸向旋轉(zhuǎn)3種訓(xùn)練模式達(dá)到的角度如表1所示。從表中可以看出各種模式下的角度與設(shè)定角度只存在<1°的誤差。表明智能腰椎外骨骼在不同模式下康復(fù)訓(xùn)練的角度能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 3種訓(xùn)練模式下訓(xùn)練角度和設(shè)定角度Tab.1 Training angle and setting angle in 3 training modes

智能腰椎外骨骼在助力牽引模式下拉力的大小為0～400 N，在這個(gè)范圍下人體不會產(chǎn)生任何的不適感。系統(tǒng)電路板和電池單獨(dú)放置在控制盒中，不與使用者直接接觸，同時(shí)在盒上設(shè)有急停按鈕，安全可靠。經(jīng)試驗(yàn)測得，在智能腰椎外骨骼執(zhí)行過程中，當(dāng)電動(dòng)推桿達(dá)到設(shè)定量程時(shí)，電動(dòng)推桿會停止工作，保持設(shè)定位置。

2.2 助力牽引功能驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

受試者進(jìn)行舉重任務(wù)時(shí)左右LES和TES的RMS_norm如圖6。結(jié)果顯示，在助力牽引情況下，不管是左LES還是右LES的肌電信號RMS均明顯要低于未牽引的情況（t=2.67，P<0.05）；對于TES，左TES在助力牽引情況下肌電信號RMS也是明顯低于未助力牽引的情況（t=3.77，P<0.01），雖然右TES的肌電信號RMS沒有呈顯著性變化，但也可以看出是趨于降低的。由此可知，受試者在助力條件下，腰部的肌肉活動(dòng)度大幅下降，肌肉疲勞降低。這也驗(yàn)證了智能腰椎外骨骼能夠有效降低腰部疼痛發(fā)生的概率。

圖6 舉重任務(wù)中有無助力牽引情況下左右LES和TES肌電信號的RMSFig.6 RMS of LES and TES(left and right)of EMG with or without assisted traction in weight lifting task

3 討論

筆者提出的智能腰椎外骨骼體積小、質(zhì)量輕，易于穿戴，可用于下腰痛患者隨時(shí)隨地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。該外骨骼安全可靠，結(jié)構(gòu)上設(shè)置了機(jī)械限位，電氣上設(shè)有急停開關(guān)，可以在第一時(shí)間保障使用者的安全。與現(xiàn)有的腰椎外骨骼相比，該外骨骼采用4-SPS/SP并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，符合腰部單關(guān)節(jié)多自由度耦合運(yùn)動(dòng)的需求。用戶在使用的過程可以選擇不同的訓(xùn)練模式；同時(shí)上位機(jī)可以人性化設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)，能夠更有針對性地對腰部進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。該外骨骼不僅實(shí)現(xiàn)助力牽引的功能，還可以進(jìn)行屈伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練，各種訓(xùn)練的角度與設(shè)定角度只存在<1°的誤差，能夠按照醫(yī)師設(shè)定的角度進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，不會產(chǎn)生不適感。在舉重任務(wù)中，受試者在智能腰椎外骨骼的助力條件下，腰部的肌肉活動(dòng)度大幅下降，這說明智能腰椎外骨骼可以通過輔助人體的肌肉關(guān)節(jié)的活動(dòng)度來減少誘發(fā)因素對人體肌肉骨骼系統(tǒng)的影響，從而降低腰痛的發(fā)生的概率。筆者的試驗(yàn)都是針對健康人進(jìn)行的，后期應(yīng)考慮加入腰痛患者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，智能腰椎外骨骼如能加入主動(dòng)訓(xùn)練模式，可以增加使用者的訓(xùn)練多樣化。

4 結(jié)論

筆者總結(jié)了現(xiàn)有腰椎外骨骼的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種穿戴式智能腰椎外骨骼，采用了高精度、體積小的4-SPS/SP并聯(lián)機(jī)械結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)并增加了人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與上位機(jī)的雙向通信。智能腰椎外骨骼能夠安全實(shí)現(xiàn)不同模式下的康復(fù)訓(xùn)練，并且人體試驗(yàn)的結(jié)果證明，受試者在穿戴智能腰椎外骨骼且助力牽引的情況下，LES的肌電信號RMS顯著降低，TES的肌電信號RMS也呈下降趨勢，從而證明了智能腰椎外骨骼在降低腰部疼痛發(fā)生概率的有效性。