穿戴下肢支撑外骨骼时人体下肢生物力学仿真分析

李俊龙，干静，宋芯

穿戴下肢支撑外骨骼时人体下肢生物力学仿真分析

李俊龙，干静，宋芯

（四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065）

随着工业外骨骼的广泛应用，外骨骼在辅助人体的同时也产生了负载，这种负载与外骨骼重量相关。为探究下肢支撑外骨骼重量对人体的影响，采用有限元方法对穿戴工业外骨骼且处于静态站姿状态下的人体进行生物力学仿真分析。基于POSER软件和人体解剖学数据建立包含人体皮肤、软组织、骨骼以及骨连结的人体下肢有限元模型，通过与尸体实验及文献数据的对比验证了模型可靠性。基于上述模型，在ANSYS中计算不同外骨骼重量下人体的受力情况，对比分析各部位应力分布情况。结果表明：在穿戴下肢支撑外骨骼状态下，人体各部位的应力值增长与外骨骼重量线性相关，且人体后腰部位、长骨骨干、膝关节、踝关节、足跟处存在较大的应力。

下肢支撑外骨骼；有限元分析；人体有限元模型；腰部负重

现代社会中，机器化、智能化和自动化生产的普及使工作者的负担大大降低。然而，在设备装配、外科手术等工作领域中，长期的站立或半蹲工作会在一定程度上增加工作者患下肢疾病的风险。为解决上述问题，一些学者尝试开发使用机械设备如外骨骼来辅助人体，这种外骨骼一般被称为下肢支撑外骨骼或可穿戴座椅。下肢支撑外骨骼概念最早由Darcy Robert Bonne在1978年提出[1]，近些年逐渐得到开发和应用，其中以Chairless Chair、Archelis、LegX等产品应用较为广泛。

下肢支撑外骨骼的使用与人体相关，若结构参数设计不合理，不仅起不到辅助作用，还可能会影响人体的正常活动。因此，国内外学者针对其舒适性、有效性、稳定性均做过大量的实验和评估，包括足底压力数据分析、肌电信号分析、关节屈曲角度分析等。Zefeng Yan等[2]设计了一款下肢支撑外骨骼，并通过实验进行人体工程学评估，结果表明，当穿戴外骨骼时，腿部肌肉活动性降低了44.8%～71.5%，足底压力降低了58.5%～64.2%。Benjamin Steinhilber等[3]的研究表明，当穿戴Chairless Chair在坐姿状态下向两侧伸手去拿3 kg以下物体时，人体稳定性较好，但当存在外部干扰时，人体跌倒的可能性会大大提高。Stefania Spada等[4]使用AMS软件对外骨骼模型与人体肌肉骨骼模型进行分析，研究三种不同姿势下人体模型、外骨骼模型、地面三者之间的接触力，并通过实际实验加以验证。目前，有关下肢支撑外骨骼的研究主要集中于采集人体运动学数据方面。生物力学能够对系统整体和局部均进行准确的研究，仿真软件的发展也为其提供了平台，这使得运用有限元方法对外骨骼－人体系统分析具备可行性。因此，本文采用生物力学仿真的方法来探究外骨骼重量对人体受力的影响，进而改善下肢支撑外骨骼的设计。

1 人体有限元模型的建立

1.1 人体几何模型的建立

目前，建立人体几何模型的方法有多种，包括基于人体测量学的CAD软件建模、数字图像法等[5]。这些方法虽然能提高模型准确度，但工作量大，且只能构建单独的骨骼模型或人体表面模型。POSER软件内有基于人体解剖测量学的人体模型库，包含了可编辑的人体骨骼模型及人体表面模型，部分学者曾使用其模型进行生物力学仿真分析并取得了较好结果[6]。因此本文将基于POSER内模型，参考人体解剖学数据，建立包含人体皮肤、软组织、骨骼和骨连结的参数化模型。

首先提取出POSER软件中的男性骨骼模型及人体表面模型。由于工业下肢支撑外骨骼的使用环境以工厂为主，考虑到年轻人身高呈现逐年递增趋势，根据GB 10000－1988[7]，本文选择身高175 cm、体重71 kg的男性作为模型参考尺寸。其次设置人体表面模型厚度以形成皮肤模型，参考现有研究和3Dbody解剖软件中的人体解剖学数据建立椎间盘、半月板、髋关节软骨、膝关节软骨、髋膝踝三部分关节韧带模型，填充皮肤与骨骼、骨连结中间部分形成软组织模型。外骨骼的绑缚部分位于人体的腰部和腿部，上肢部分受力较小，所以本文主要针对人体下肢部分进行受力分析。最终得到的人体几何模型下肢部分如图1所示，其中部分尺寸数据如表1所示。

1.2 人体有限元模型的建立

将上述经过处理得到的人体下肢几何模型导入ANSYS Workbench，进行模型的前处理。

1.2.1 材料属性选择

只有赋予模型正确的材料参数才能保证有限元分析的有效性，本文涉及的材料包括骨骼、软骨、韧带、软组织等，为便于后续计算，将所有材料定义为各向同性的线弹性材料[13]，其具体参数如表2所示[6,14-16]。

图1 最终模型效果图

1.2.2 定义接触类型

模型中共包含11种接触关系，分别为皮肤－肌肉、肌肉－骨骼、肌肉－韧带、肌肉－椎间盘、肌肉－半月板、肌肉－关节软骨、骨骼－椎间盘、骨骼－韧带、骨骼－半月板、骨骼－关节软骨、关节软骨－半月板，考虑到真实情况中上述接触面之间不发生相对运动或仅发生较小滑移，因此均定义为绑定约束。

表1 人体模型部分尺寸数据参考

注：MCL（Medial Collateral Ligament）：内侧副韧带；LCL（Lateral Collateral Ligament）：外侧副韧带；PCL（Posterior Cruciate Ligament）：后交叉韧带；ACL（Anterior Cruciate Ligament）：前交叉韧带。

表2 模型材料参数

1.2.3 网格划分

采用默认的形式划分网格，由于人体几何模型表面不规则，曲面变化较多，选择四面体网格划分。最终模型共有927 224个节点， 528 191个单元。

2 有限元模型的验证

本文所用模型来源于POSER软件，为准确模拟穿戴下肢支撑外骨骼时的人体受力情况，需要对该模型的可靠性进行系统验证。在站姿状态下，由于结构的复杂性，人体的膝关节和踝关节应力分布情况较为复杂，因此本文主要对膝关节和踝关节模型的有效性进行验证。

2.1 膝关节模型可靠性验证

选用Toru Fukubayashi等[17]的新鲜尸体标本实验对所建立的膝关节有限元模型的可靠性进行验证。提取出仅包含骨骼和骨连结部分的膝关节模型，股骨和胫骨仅保留约10 cm长度，根据实验条件对股骨上表面施加1000 N载荷力，方向沿股骨与胫骨骨干方向，同时约束胫骨下表面所有自由度和股骨屈曲方向自由度。分析结果如图2所示。

图2 1000 N载荷下膝关节的最大应力云图

得到1000 N载荷下的应力数据如表3所示。将所得数据与以往文献进行对比[17-19]，发现最大应力值与文献中数据较为接近，且均分布在膝关节内侧区域。因此，所建膝关节模型的生物力学响应有效，可用于后续仿真计算。

表3 1000 N载荷下膝关节的最大应力情况

2.2 踝关节模型可靠性验证

参考Anderson等[20]的新鲜尸体标本实验和张禹等[21]的有限元仿真实验，对踝关节模型施加相应的载荷和约束条件，如图3（a）所示，去除掉模型中皮肤和软组织部分，对胫骨、腓骨上表面分别施加500 N、100 N的力，并约束跟骨、跖骨和趾骨下表面所有自由度，计算胫骨下关节面的最大应力值。应力分析结果如图3（b）所示。

图3 踝关节模型可靠性验证

与以往研究结果进行比较，验证模型的有效性，如表4所示。由于选取的模型样本来源不同，骨骼以及韧带的大小形态存在差异，因此数据值不能完全吻合，但本文所得数据位于文献数据范围之内，仿真结果可以证明踝关节模型的可靠性。

表4 胫骨下关节面最大应力值对比

3 穿戴外骨骼状态下人体有限元仿真

3.1 确定载荷和约束

人体模型所受载荷包括自身重力与外骨骼拉力两部分，其中重力通过施加重力场来模拟。在实际穿戴过程中，外骨骼拉力主要通过腰带作用于人体，因此此处仅建立与力传导有关的腰带部分模型，如图4所示，其尺寸和外形参考图5所示的实际产品。图中两条连接带将腰带与外骨骼主体部分相连接，在有限元模型中通过对这两条带的末端施加法向拉力来模拟外骨骼的重力。在工厂作业状态下，外骨骼重量过重会给作业者带来负担，参考以往有关人体负载的研究，本文外骨骼重量分别取为5%BW（Body Weight，体重）、10%BW、15%BW、20%BW、25%BW、30%BW。选择Workbench材料库中的尼龙材料作为腰带部分材料。

图4 外骨骼腰带模型

静态站姿状态下，双脚与地面接触来支撑人体，因此约束人体模型中足底的全部自由度。同时，人在腰部受力的状态下会自主控制身体不发生过度倾斜，为了模拟这种作用，对腰部后侧腰带下方区域施加无摩擦支撑。

图5 外骨骼产品腰带部分

3.2 仿真结果

利用ANSYS Workbench对处理完成的人体有限元模型进行仿真分析，不同重量下的人体应力分布情况大致相似，此处以15%BW的外骨骼重量为例。

3.2.1 皮肤应力分析

皮肤最大应力云图如图6所示。皮肤模型的应力主要集中在足部和腰部区域，最大应力值出现在足跟处以及与腰带下边缘接触的后腰处，分别为32.94 kPa和23.32 kPa。其中足部支撑着整个人体模型，承受较大的压力，同时由于拉力方向为斜向下，因此足跟处应力最为集中。而腰部区域与腰带直接相接触，在拉力作用下腰带与人体皮肤之间发生挤压，产生较大应力，集中于连接带周围以及髂嵴周围皮肤。

3.2.2 软组织应力分析

软组织最大应力云图如图7所示。软组织外层应力分布与皮肤类似，在外骨骼拉力作用下，软组织模型的腰部和足部区域也产生了较大应力，且最大应力值出现部位均一致。由于软组织层未与腰带直接接触，在皮肤层的缓冲下，其腰部应力值相对更低，最大应力值为11.85 kPa。同时，与内部骨骼直接接触导致软组织层内部以及足跟处出现了更大的应力，足跟处最大应力值为47.41 kPa。

3.2.3 骨骼及骨连结应力分析

骨骼及骨连结最大应力云图如图8所示。整体模型的应力主要集中在长骨骨干、膝关节以及踝关节处，最大应力值出现在踝关节处。在弯曲载荷和压缩载荷的双重作用下，股骨干和胫骨干较长，因此前侧受拉、后侧受压，且后侧中部所受载荷更大，最大应力值分别为股骨4.20 MPa、胫骨2.23 MPa。而膝关节连接股骨和胫骨，主要起传导力的作用，由于人体模型站姿正确且未施加扭转和剪切载荷，所以此部分所受载荷与其他部位相比较小，最大应力值出现在半月板内侧，为1.77 MPa。

另外，作为人体站姿状态下的主要承重关节，在外骨骼拉力作用下，踝关节所受载荷最大，具体表现为距腓前韧带、距腓后韧带、跟腓韧带、三角韧带以及与这些韧带所连接的骨骼相应区域应力较大，排除局部应力集中情况，最大应力值出现在距腓前韧带与腓骨连接处，为8.91 MPa。

图6 皮肤最大应力云图

图7 软组织最大应力云图

图8 骨骼及骨连结最大应力云图

3.3 外骨骼重量对人体生物力学的影响

根据上述应力分析，为探究外骨骼不同重量对人体生物力学影响的差异性，需提取部分特征量来进行对比分析。考虑到模型本身和网格划分过程中的不对称性，取人体左右两侧对应数据的平均值作为最后的输出数据。所有特征量数据统计后得到的结果如图9所示。

图9 外骨骼不同重量下人体部分特征量应力值

当外骨骼重量位于0%～30%BW范围内时，随着外骨骼重量的增加，所有特征量的最大应力值和平均应力值均相应的增加，最大应力值增加速度较快而平均应力值增加速度较慢，并且大致都呈线性增加趋势。运用SPSS软件对以上数据进行双变量相关性分析，结果显示，所有特征量均与外骨骼重量高度相关，Pearson相关系数位于0.99～1.00之间。这说明在保证下肢支撑外骨骼必要功能的前提下，减轻外骨骼重量能够有效减少使用者身体各个部分所受到的压力。

对于皮肤和软组织，最大应力值增加速度为连接带周围皮肤＞连接带周围软组织＞足底软组织＞髂嵴周围皮肤＞髂嵴周围软组织＞足底皮肤。当外骨骼重量较小时，在髋骨与腰带的内外挤压下，髂嵴周围皮肤和软组织最大应力值更高，而当外骨骼重量增加到10%BW或20%BW左右时，连接带周围皮肤和软组织承受压力变得更大，特别是皮肤处应力值显著增加。因此，在对下肢支撑外骨骼进行设计时，可以对腰带后部主要受力点进行结构优化，改善人体受力情况。在后续实际穿戴体验中，50名实验者的主客观数据也证明了该优化的有效性。

对于骨骼及骨连结，最大应力值增加速度为股骨干＞距腓前韧带＞胫骨干＞半月板＞足骨＞骨盆，且股骨干及距腓前韧带的平均应力值增加速度也达到了较高水平。所以，在穿戴下肢支撑外骨骼时，使用者需要注意保护踝关节，必要时可穿戴护具，以免发生韧带拉伤。

4 结论

本文以工业下肢支撑外骨骼为研究对象，建立了人体与外骨骼腰带参数化模型，运用有限元方法，分析了在外骨骼拉力作用下人体下肢各部位的应力分布情况，并对不同外骨骼重量下的应力分布情况进行了分析，得到结论：在穿戴下肢支撑外骨骼状态下，人体皮肤与软组织的后腰处、髂嵴周围、足跟部会受到较大的压力，同时长骨骨干后侧、半月板内侧、踝关节特别是距腓前韧带也有较大的应力值分布。另外，随着外骨骼重量的增加，人体各个部位的应力值大致呈线性增加趋势，其中连接带周围皮肤最大应力值增加速度最快。

该研究结果可用于改进下肢支撑外骨骼的设计，进而改善人体穿戴时的体验，提高舒适度。但本文软组织模型部分较为粗糙，在以后的研究中应将其细分为肌肉、器官、血管等组织，对穿戴下肢支撑外骨骼状态下的人体肌肉力、器官负载以及血流动力学做进一步的研究。

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Biomechanical Simulation Analysis of Human Lower Limbs with Support Exoskeleton

LI Junlong，GAN Jing，SONG Xin

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Industrial exoskeletons are widely used to assist human body. However, they also generate loads due to the weight of themselves. In order to investigate the impact of the weight of the lower limb support exoskeleton on human body, the finite element method was used to carry out the biomechanical simulation analysis of human with industrial exoskeleton in the static standing position. The finite element model includes skin, soft tissues, bones and bone joints, which was established based on POSER software and human anatomy data. The reliability of the model was verified in comparison with cadaveric experiments and literature data. Based on this model, the stresses of human body under different exoskeleton weights were calculated with ANSYS, and the stress values of each part were compared and analyzed. The results show that with lower limb support exoskeleton, the growth of stress values in each part of the human body is linearly related to the weight of the exoskeleton, and stress concentrates on the back of the waist, the long bone shaft, the knee joint, the ankle joint and the heel.

lower limb support exoskeleton；finite element analysis；human finite element model；lumbar load

TP242；R318.01

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.12.011

1006-0316 (2023) 12-0066-08

2023-04-28

军工横向项目（HG2021009）

李俊龙（1998－），男，回族，湖南常德人，硕士研究生，主要研究方向为人机工程，E-mail：2057362592@qq.com；干静（1968－），女，重庆人，博士研究生，教授，主要研究方向为人机包容性设计、计算机辅助工业设计、机械设计等。