基于OpenSim的可移动下肢外骨骼人机相容性评估

刘长山; 李辉

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504487

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (12) :5082-5091 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504487

机械、仪表工业

基于OpenSim的可移动下肢外骨骼人机相容性评估

刘长山 ,
李辉 ^*

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Human-machine Compatibility Evaluation of Mobile Lower-limb Exoskeleton Based on OpenSim

LIU Chang-shan ,
LI Hui ^*

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摘要

下肢康复外骨骼仍面临人机运动同步性不足、穿戴舒适性与辅助效能难以协同、人机相容性缺乏量化评估体系等问题。人体生理结构个体差异与运动状态的动态变化,进一步增加了外骨骼的适配设计难度。针对可移动下肢康复外骨骼的人机相容性问题,构建一套融合实验测量与仿真分析的评估方法。通过SolidWork与OpenSim Creator协同建模,建立外骨骼与人体肌肉骨骼系统的耦合模型。通过设置不同刚度的Bushing力约束,模拟外骨骼对人体运动的辅助效果,揭示了约束力参数与人机运动相容度的关联规律。结果表明:当绑带刚度为15 N/mm时,外骨骼与人体的运动相容度达到95%以上,满足康复训练需求。研究成果为下肢康复外骨骼的优化设计提供了科学依据,并为后续的临床应用提供了理论支持。

Abstract

Lower limb rehabilitation exoskeletons still confront critical challenges, including inadequate human-machine motion synchronization, the inherent trade-off between wearing comfort and assistive efficacy, and the absence of a quantitative evaluation system for human-machine compatibility. Moreover, individual variations in human physiological structures and dynamic fluctuations in motion states further exacerbate the complexity of adaptive design for exoskeletons. An evaluation method integrated experimental measurement and simulation analysis was constructed to address the human-machine compatibility issue of mobile lower limb rehabilitation exoskeletons. A coupled model of the exoskeleton and the human musculoskeletal system was established through SolidWorks and OpenSim Creator for collaborative modeling. By setting different stiffness Bushing force constraints, the auxiliary effect of the exoskeleton on human movement was simulated, revealing the correlation between the constraint force parameters and the human-machine motion compatibility. The results show that when the stiffness of the binding strap is 15 N/mm, the motion compatibility between the exoskeleton and the human body reaches over 95%, meeting the requirements of rehabilitation training. The research results provide a scientific basis for the optimal design of lower limb rehabilitation exoskeletons and theoretical support for subsequent clinical applications.

Graphical abstract

关键词

下肢康复外骨骼 / 人机相容性 / OpenSim / 耦合模型 / Bushing力约束

Key words

lower-limb rehabilitation exoskeleton / human-machine compatibility / OpenSim / coupled model / Bushing force constraint

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刘长山, 李辉. 基于OpenSim的可移动下肢外骨骼人机相容性评估[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(12): 5082-5091 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504487

LIU Chang-shan, LI Hui. Human-machine Compatibility Evaluation of Mobile Lower-limb Exoskeleton Based on OpenSim[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(12): 5082-5091 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504487

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下肢康复机器人是一种助力患者康复训练的智能化机械系统,能够助力患者进行科学、高效的康复训练,在康复医学领域具有重要的研究价值与应用前景^[1-4]。下肢外骨骼结构穿戴的舒适性及人机匹配融合度,是机器人设计优劣的重要表征之一。由于人体生理结构的复杂性以及伦理道德的限制,现有实验手段难以精确评估外骨骼穿戴后的人机耦合状态。此外,受限于肌肉骨骼系统的动态特性及测量设备的不足,人体关键生理参数的实时监测很难实现。OpenSim是斯坦福大学开发的一款开源生物力学仿真软件。该软件具有正向动力学与逆向动力学仿真能力,可精准模拟人体在复杂环境下的运动学特征与力学响应,为康复机器人设计、医疗辅助器械开发等领域的生物力学分析提供重要技术支撑^[5-6]。

Dembia等^[7]通过OpenSim平台和优化算法,开发了用于肌肉骨骼系统最优控制的OpenSim Moco插件,可快速求解复杂运动的最优控制问题。Nandy等^[8]基于OpenSim平台研究人类动态步态,建立了步态模型并进行分析,探讨了不同因素对步态的影响。Green等^[9]利用OpenSim平台对闭链臂-机器人多体动态系统进行建模与仿真,研究了系统动力学特性。Brambilla等^[10]通过OpenSim模拟研究肌肉协同的数量和结构,记录肌肉数量的关系,为肌肉协同研究提供了新见解。随后,Brambilla等^[11]利用OpenSim模拟研究人类行走时速度变化和负重对步态生物力学的影响,分析了关节角度、力矩和肌肉活动的变化。Wechsler等^[12]将基于惯性测量单元的实验运动数据导入OpenSim进行肌肉骨骼模拟,为运动分析提供了新方法。Sikidar等^[13]设计了一款基于OpenSim的踝足肌肉骨骼模型,用于评估致密结缔组织中的应变和力。Hammond 等^[14]基于OpenSim神经肌肉骨骼建模流程,实现了模型个性化和治疗方案优化。Ashtiani等^[15]使用肌肉骨骼模型估计动态提升任务中外骨骼对脊柱载荷的影响,比较OpenSim和AnyBody建模系统之间的差异。Raveendranathan等^[16]提出在OpenSim中整合单侧经股骨截肢者的通用肌肉骨骼模型,并通过设计最优控制策略进行测试。Jacob等^[17]开发了基于肌电优化(EMGopt)的OpenSim框架,结合肌电数据更准确地估计了步态中下背部动力学负荷,验证模型有效性。郭超等^[18]基于OpenSim建立人体下肢肌肉骨骼模型,通过逆向动力学仿真,分析不同速度、负重工况下踝关节、膝关节、髋关节力矩及肌肉活性变化。移芸婧等^[19]借助OpenSim仿真对比穿戴/未穿戴外骨骼时腰部肌肉力与激活程度,探究了外骨骼助力效果,为外骨骼优化设计提供依据,但未明确外骨骼与人体的耦合机制建模细节。史传棋等^[20]依托OpenSim开展下肢外骨骼机器人仿真、模型构建等,分析外骨骼对下肢运动力学特性影响,但缺乏物理样机实验对仿真结果的交叉验证,未深入探究人体生理个体差异、动态运动工况对人机耦合效果的影响。詹晓彤等^[21]通过使用OpenSim软件对腰部肌骨系统在体前屈状态下进行生物力学分析,为相关领域的研究和应用提供参考和指导,但仅聚焦静态体前屈单一工况,未覆盖动态运动场景。范子珍等^[22]基于OpenSim人机耦合仿真的外骨骼设计方法,通过融合OpenSim仿真技术,优化外骨骼设计,提升了与人体交互的适配性。冯博琳等^[23]提出了一种基于OpenSim软件的柔性下肢助力外骨骼设计和仿真分析方法,分析了外骨骼对下肢关节力矩、肌肉活动和能量消耗的影响,但未针对不同下肢功能障碍患者的个体差异开展适配性研究。上述方法从不同角度应用OpenSim仿真,研究了外骨骼对人体的运动影响,但现有仿真多聚焦于单一关节或固定工况,忽略了人体生理结构个体差异与运动状态动态变化对适配性的影响,且对下肢康复外骨骼与人体相容度耦合的定量评估实验方法尚有待进一步研究。

为此,针对可移动下肢康复外骨骼机构,构建一套融合实验测量与仿真分析的人体相容性评估方法。首先,根据人体解剖学特征及人机运动匹配度与穿戴舒适性多重考量,通过人体相容数据采集,实现对人机交互舒适性初步量化估计。然后,基于OpenSim软件及插件,建立人体肌肉骨骼系统与下肢外骨骼的耦合动力学模型,通过参数校准与运动学数据驱动,实现外骨骼运动轨迹与人体关节运动的精准映射。最后,设计不同Bushing力约束仿真实验,通过设置不同刚度、阻尼参数虚拟约束力,模拟外骨骼对人体下肢运动辅助/干预效果。为外骨骼设备的优化设计提供理论支撑。

1 可移动多自由度下肢康复外骨骼系统研制与设计

1.1 下肢外骨骼结构参数确定

以攻克现有外骨骼人机相容性短板为核心目标,致力于研制一款兼具轻量化与高自由度特性的可移动下肢康复外骨骼系统,旨在显著提升康复训练的效能与舒适度。为确保该系统能够适配绝大多数患者的辅助训练需求,严格参照《中国成年人人体尺寸》(GB/T 10000—2023)^[24]中成年人静立姿态下的关键肢体参数,作为外骨骼结构设计的基础依据。在参数设定方面,将人体关节力学分析参数锚定男性95%水平,系统机械结构调节参数覆盖10%~99%区间,精准划定下肢外骨骼的髋关节、大腿、小腿尺寸范围,以此实现对外骨骼系统适用性与功能性的双重优化。在结构设计上,充分考量外骨骼的便携性与结构强度平衡需求。系统主体采用6061-T6铝合金与304不锈钢作为核心材料,前者具备高强度、低密度、抗腐蚀的特性,后者则进一步强化结构稳定性与耐用性。经优化设计,整套外骨骼系统总质量控制在15.8 kg,在保障功能性的同时,极大降低了穿戴者的负担,提升了使用便捷性,其整体结构如图1所示。

1.2 下肢外骨骼的自由度设计

下肢康复外骨骼单腿采用“3主动+4被动”的复合自由度设计架构,实现运动灵活性与适配性的有机统一。其中,4个被动自由度主要服务于外骨骼与人体的个性化适配:通过在髋关节设置2个被动调节自由度,可实现宽度与径向尺寸的精准调整;在大腿、小腿部位各配置1个移动自由度,用于动态调节外骨骼的整体长度,确保设备能与不同身高患者的肢体形态无缝匹配,髋关节与腿部调节模块的结构细节分别如图2、图3所示。

主动自由度设计则聚焦于核心运动功能实现。在满足人体下肢康复训练运动需求与力学性能标准的前提下,为达成设备轻量化目标,研究团队将 3个主动驱动自由度集中配置于髋、膝、踝关节矢状面。该设计既保障了康复训练所需的屈伸运动辅助功能,又通过精简驱动结构,有效降低了外骨骼的整体重量与能耗,实现功能性与便携性的平衡。

2 基于OpenSim的人机耦合相容度仿真实验设计

2.1 基于OpenSim Creator的外骨骼-人体耦合模型构建流程

通过SolidWorks与OpenSim Creator的协同建模技术,构建高精度的外骨骼-人体动力学耦合模型。具体实现步骤如下。

步骤1 外骨骼几何模型导入与刚体定义。将SolidWorks中完成的外骨骼三维模型组件导出为STL格式文件,确保几何拓扑关系完整;在 OpenSim Creator中使用BodySet指令创建外骨骼刚体集合;通过Add Body命令添加各结构模块,输入精确的物理属性参数(包括质量、质心坐标及转动惯量张量);建立父子体层级关系,定义连接类型关联对应的STL几何文件,完成刚体模型构建。

步骤2 运动副约束与坐标系标定。首先,利用JointSet指令定义相邻刚体间的运动学约束,然后设置子体坐标系相对于父体坐标系的初始位姿(包括平移向量与旋转矩阵),最后配置运动副参数:选择约束类型、定义运动轴方向(X、Y、Z)、设置转动/移动自由度范围。

步骤3 坐标系统与运动范围校准。为每个自由度命名并分配唯一标识符,设定坐标初始值与运动范围(严格遵循负向到正向的参数顺序),然后通过Coordinates Tree可视化工具验证约束定义的准确性,迭代调整参数直至满足运动学仿真需求。

步骤4 人机耦合模型集成与验证。导入Gait2392人体肌肉骨骼模型作为基础框架,建立外骨骼与人体关节的映射关系(如髋关节、膝关节、踝关节),应用约束条件实现人机运动同步,如图4所示的拓扑结构。最终完成导入机器人完整的外骨骼-人体耦合动力学模型(图5)。

2.2 人体相容数据采集实验

根据人体解剖学特征及人机运动匹配度与穿戴舒适性多重考量,外骨骼结构与人体关节位置、肢体匹配程度理想值需达到80%以上,外骨骼关节运动轨迹与人体关节的重合度需达到85%以上,以满足患者康复训练要求。开展以下人体穿戴实验,采集不同绑缚效果下主观舒适度运动学数据,分析患者最佳绑缚效果时对应的绑缚力以及绑带刚度。

选取不同受试者穿戴下肢外骨骼设备,将下肢外骨骼设备调整至零力模式,确保设备在实验过程中不会对外力产生额外的干扰,分别选用不同拉伸刚度为5、10、15、20 N/mm的绑带,将受试者的大腿和小腿与外骨骼绑紧。在每种绑带刚度条件下,分别进行三组实验。使用弹性测力计拉伸绑带,记录外骨骼和受试者同时运动时的拉力值,同步记录绑带的拉伸变形量。

在实验开始前,将外骨骼和受试者调整至初始静止状态,确保两者的位置和姿态一致。使用弹性测力计分别拉伸大腿和小腿的绑带,当拉力达到一定数值时,受试者可以跟随外骨骼的运动。通过对比不同绑带刚度条件下的拉力值和变形量,评估绑带的舒适度和人机相容性。将采集到的数据进行整理和分析,计算每种绑带刚度条件下的平均拉力值和平均变形量,作为评估指标,通过对比不同绑带刚度条件下的评估指标,确定最佳绑带刚度参数。测试过程如图6所示。

通过实验对比,当绑带刚度为15 N/mm时,拉力值和变形量达到一个平衡点,此时既保证了外骨骼与人体的高效协同运动,又兼顾了穿戴的舒适性。

2.3 人机运动相容度评价方法及仿真过程设计

提出基于空间轨迹偏差的人机运动相容度评价方法,通过量化人体模型与外骨骼之间的相对运动误差,实现对人机耦合效果的精确评估。

2.3.1 相容度数学定义

定义人机运动不相容度为

(1)η=$\frac{\underset{t\in [T]}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\Vert {P}_{exo}\left(\mathrm{t}\right)-{P}_{exo}\left(0\right)\Vert }{\underset{t\in [T]}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\Vert {P}_{\mathrm{h}\mathrm{u}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{n}}\left(t\right)-{P}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{o}}\left(t\right)\Vert }$

式(1)中:P_human(t)和P_exo(t)分别为人体与外骨骼标记点在时刻t的空间坐标;P_exo(0)为外骨骼初始位置坐标;T为仿真总时长。

运动相容度定义为:相容度=1-不相容度。

2.3.2 仿真实验设计流程

在OpenSim中利用Bushing Force模块模拟绑带力学特性。

定义六自由度刚度矩阵为

(2)K=diag([K_x,K_y,K_z,K_rot_x,K_rot_y,K_rot_z])

式(2)中:K_x、K_y、K_z分别对应沿x、y、z三个平动自由度的刚度系数;K_rot_x、K_rot_y、K_rot_z分别对应沿x、y、z三个转动自由度的刚度系数。

配置阻尼系数为

(3)C=diag([C_x,C_y,C_z,C_rot_x,C_rot_y,C_rot_z])

式(3)中:C_x、C_y、C_z分别对应沿x、y、z三个平动自由度的阻尼系数;C_rot_x、C_rot_y、C_rot_z分别对应沿x、y、z三个转动自由度的阻尼系数。

关键实现细节:确保绑带连接点在人体与外骨骼模型上的坐标完全重合(误差<0.5 mm)。

步骤1 标记点布局。在外骨骼与人体模型大腿、小腿绑带中心处分别设置Markers标记点,初始状态下两组标记点空间坐标完全重合,外骨骼模型标记点布局如图7所示。

步骤2 运动输入设置。以外骨骼作为主运动输入,人体模型作为从动系统,进行两种工况仿真。

(1)工况 1:无Bushing力约束[外骨骼单独运动,人体模型保持静止,如图8(a)所示]。

(2)工况 2:有Bushing力约束[外骨骼带动人体模型协同运动,如图8(b)所示]。

步骤3 轨迹数据采集:分别记录两种工况下标记点的三维坐标数据。

无约束工况:P_exofree(t)和P_humanfree(t),其中,P_exofree(t)和P_humanfree(t)分别为外骨骼与人体标记点无约束状态下在时刻t的空间坐标。

有约束工况:P_{exoconstrained}(t)和P_{humanconstrained}(t),其中,P_{exoconstrained}(t)和P_{humanconstrained}(t)分别为外骨骼与人体标记点有约束状态下在时刻t的空间坐标。

计算标记点间的欧氏距离,计算公式为

(4)d(t)=‖P_human(t)-P_exo(t)‖=$\sqrt{({x}_{\mathrm{h}}-{x}_{\mathrm{e}}{)}^{2}+({y}_{\mathrm{h}}-{y}_{\mathrm{e}}{)}^{2}+({z}_{\mathrm{h}}-{z}_{\mathrm{e}}{)}^{2}}$

式(4)中:x_h、y_h、z_h分别为人体模型标记点空间坐标在x、y、z轴上的分量;x_e、y_e、z_e分别为外骨骼模型标记点空间坐标在x、y、z轴上的分量。

提取关键特征值:

无约束最大位移可表示为

(5)D_maxfree=$\underset{t\in [T]}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$d_free(t)

式(5)中:d_free(t)为无约束状态时标记点间的欧氏距离。

有约束最大位移可表示为

(6)D_{maxconstrained}=$\underset{t\in [T]}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$d_constrained(t)

式(6)中:d_constrained(t)为有约束状态时标记点间的欧氏距离。

步骤4 相容度计算。

(7)s=1-η=$\left(1-\frac{{D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{f}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{e}}}{{D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{d}}}\right)$×100%

仿真过程确保外骨骼与人体模型使用相同的全局坐标系;校准初始位姿:标记点初始坐标误差控制在±0.5 mm内;数据采样频不低于100 Hz,确保捕捉步态周期关键特征点;采用Savitzky-Golay 滤波(窗口大小为5,多项式阶数为3)消除噪声影响,使轨迹平滑。

3 人机相容性仿真与结果分析

3.1 人机耦合仿真实验设计与参数设置

通过参数化Bushing力约束,构建弱、中、强三种相容状态的仿真场景,系统探究约束力对人机运动同步性的影响规律。

3.1.1 Bushing力参数设置

基于康复外骨骼常用绑带材料(碳纤维织带,拉伸刚度20~100 N/mm),设计三组对比实验如表1所示。

3.1.2 关节运动轨迹设置

康复训练中,患者运动幅度有限,故设定髋关节屈伸范围:-30°~30°,膝关节屈伸范围:0°~60°,给髋关节屈伸运动驱动器一个周期正弦运动轨迹,运动周期设置为4 s,函数表达式为

(8)θ=-0.523 598 8sin$\frac{\mathrm{\pi }}{2}$t

式(8)中:θ为髋关节运动的实时角位移。

实现方式是通过OpenSim中格式为osim文档的SimmSpline函数在XML语言中髋关节屈伸运动段进行定义。在OpenSim中,SimmSpline是一种用于曲线插值和数据拟合的数学工具,主要用于描述生物力学模型中参数随自变量(如时间、关节角度等)变化的连续函数关系。选择每0.01 s进行插值,一个周期为4 s,共插值400次。同样方式给膝关节屈伸运动驱动器以半个周期的正弦运动轨迹,运动周期T设置为8 s,函数表达式为

(9)θ₁=1.047 197 5sin$\frac{\mathrm{\pi }}{4}$t

式(9)中:θ₁为膝关节运动的实时角位移。

3.1.3 仿真流程与数据采集步骤

加载外骨骼-人体耦合模型,配置相容状态的Bushing力参数,设置关节运动轨迹函数,执行4 s仿真(覆盖髋关节完整周期),记录标记点三维坐标数据。进行数据处理:屈伸运动z轴坐标不变,故仅分析x、y轨迹。计算标记点间欧氏距离,计算公式如式(4)所示。提取关键特征值,计算公式如式(5)、式(6)所示。计算关节相容度,计算公式如式(7)所示。

3.2 人机耦合仿真过程及分析

3.2.1 弱相容状态

相应的仿真结果曲线如图9所示,相容度计算结果如表2所示。

3.2.2 中相容状态

相应的仿真结果曲线如图10所示,相容度计算结果如表3所示。

3.2.3 强相容状态

相应的仿真结果曲线分别如图11所示,相容度计算结果如表4所示。

3.2.4 仿真结果对比分析

仿真实验通过设置5、10、15、20 N/mm梯度Bushing力约束,模拟绑带的力学特性,对比结果显示:随着约束力增加,人机运动相容度呈非线性增长趋势,当Bushing力达到15 N/mm时,相容度接近均达到95%以上;继续增大约束力,相容度提升趋于平缓。综合考量人体解剖学特征及人机运动匹配度与穿戴舒适性要求:外骨骼结构与人体关节位置、肢体长度匹配程度理想值需达到80%以上,外骨骼关节运动轨迹与人体关节的重合度需达到85%以上,以满足康复训练需求。仿真结果表明,当约束力达15 N/mm时,实验室设计的下肢外骨骼设备可以满足人机相容度要求。

4 结论

研究围绕下肢康复外骨骼系统的人机适配性展开,通过三维建模-仿真分析-实验验证的研究路径,系统探究绑缚力参数对人机相容度的影响机制。在设计阶段,首先利用 SolidWorks 软件完成下肢外骨骼的三维建模,构建精确的几何结构与机械装配模型。然后基于OpenSim 仿真平台搭建人机耦合动力学模型,模拟康复训练中的实际交互场景。考虑到临床康复需求,研究聚焦于绑缚力参数优化。绑缚过紧会降低穿戴舒适度,过松则影响人机运动同步性。为此,选取碳纤维织带作为绑腿工具,其极限拉伸刚度范围为20~100 N/mm。通过开展人体穿戴实验,采集不同绑缚力下主观舒适度运动学数据,经统计分析确定患者最佳绑缚效果对应的绑缚力。在仿真验证环节,通过设置梯度Bushing力约束,模拟绑带的力学特性。综合人体解剖学特征及人机运动匹配度与穿戴舒适性多重考量,验证了实验室设计此下肢外骨骼设备满足人机相容度目标要求。

未来将进一步优化人体-外骨骼相容性评价指标体系,设定综合评价模型。通过实验数据采集、仿真参数标定与量化指标分析,完成对人机交互舒适度精准评价,实现更精准的运动辅助和个性化康复训练方案,推动下肢康复外骨骼技术的广泛应用,为康复医学领域提供更高效、更人性化的解决方案。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家重点研发计划(2023YFB4706105)

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Received	Published	Revised
2025-06-16	2026-04-28	2025-11-15
Online Date
2026-05-29

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