導(dǎo) 語
近日，西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開展了一項(xiàng)研究，提出了一種可用于外骨骼關(guān)節(jié)的新型磁流變阻尼器，為未來外骨骼進(jìn)行神經(jīng)康復(fù)及運(yùn)動(dòng)控制的研究提供了積極的啟示。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》。
隨著機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，近年來下肢外骨骼輔助人體運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，其中承重外骨骼以其便捷的優(yōu)點(diǎn)受到青睞?？紤]到外骨骼驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載性能和便攜性，完全依賴電機(jī)制動(dòng)來輔助人體步態(tài)可能是不可取的。一些研究者關(guān)注于被動(dòng)式或半主動(dòng)裝置來輔助人體。配備磁流變阻尼器的半主動(dòng)裝置也被開發(fā)出來，為外骨骼和矯形器提供可控和有效的制動(dòng)。然而，如何設(shè)計(jì)出能夠滿足高扭矩輸出和長時(shí)間運(yùn)行耐久性要求的新型磁流變（MR）阻尼器仍然是一個(gè)需要解決的問題。
2、研究概述
基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了功能化聚苯胺基時(shí)序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電活動(dòng)。
本研究提出的磁流變阻尼器采用可變位移永磁體來調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度，如圖1所示。通過控制小型電機(jī)，可以調(diào)節(jié)永磁體在關(guān)節(jié)腔中的位置，改變關(guān)節(jié)內(nèi)磁流體的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對關(guān)節(jié)阻尼力矩的調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)線圈式磁流變阻尼器相比，本文提出的磁流變阻尼器改進(jìn)了磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)的原理。具體來說，就是通過調(diào)節(jié)永磁體的位移來代替調(diào)節(jié)線圈中的電流來調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度。高磁化量的永磁體磁場強(qiáng)度優(yōu)于線圈，提高了磁流變阻尼器的最大轉(zhuǎn)矩密度。同時(shí)，其形狀適合于接頭的裝配。其最顯著的特點(diǎn)是可以長時(shí)間使用而不會(huì)因線圈加熱而產(chǎn)生扭矩衰減。對永磁體的分段參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使磁場強(qiáng)度變化均勻，提高了線性控制精度。
圖1：阻尼器工作原理
（圖片來自原文）
為驗(yàn)證阻尼器性能，該項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，分析了帶外骨骼和不帶外骨骼參與者的地反力（GRF），GRF代表了外骨骼載荷傳遞的影響。
如圖2所示，是否佩戴外骨骼和載荷水平對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定影響。在擺動(dòng)階段，由于腳沒有接觸地面，GRF沒有顯示出外骨骼設(shè)備和負(fù)載的主要影響。如圖3所示，與無外骨骼相比，有外骨骼受試者的GRF峰值顯著降低（p < 0.05）：站立前期GRF峰值降低24.14%，站立后期GRF峰值降低19.77%。對于載荷的影響，總姿態(tài)相位的峰值GRF隨著載荷量的增加而顯著增加。而在后期，0kg和5kg的GRF值之間沒有顯著差異。步態(tài)周期中站立相位持續(xù)時(shí)間的分析沒有揭示外骨骼設(shè)備和負(fù)荷水平之間的顯著性。設(shè)備和負(fù)荷對運(yùn)動(dòng)的影響不顯著，但在某些負(fù)荷水平上，站立時(shí)間的GRF顯著不同于其他負(fù)荷水平。例如，對于0kg和5kg載荷，GRF雖然沒有顯著差異，但明顯低于其他載荷水平的值；10kg和15kg的GRF值無顯著差異，但顯著高于其他載荷水平。
圖2：不同負(fù)荷條件下帶外骨骼和不帶外骨骼的GRF
（圖片來自原文）
圖3：不同負(fù)荷條件下帶外骨骼和不帶外骨骼的GRF
（圖片來自原文）
3、研究意義
本研究提出了一種新型磁流變阻尼器，它可以根據(jù)磁體的可變位移來調(diào)節(jié)輸出電阻轉(zhuǎn)矩。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定對磁流變阻尼器接頭的輸出特性進(jìn)行了表征。此外，MR阻尼器安裝在被動(dòng)下肢外骨骼的膝關(guān)節(jié)中。
本研究提出了一種基于步態(tài)相位識(shí)別的磁流變阻尼器實(shí)時(shí)控制方法。為了驗(yàn)證磁流變阻尼器外骨骼對人體負(fù)重輔助的有效性，進(jìn)行了初步的主體實(shí)驗(yàn)。根據(jù)采集到的足底壓力信息，比較有無外骨骼受試者的GRF數(shù)據(jù)意義。最后，基于NLB和NFB指標(biāo)，對外骨骼進(jìn)行了評(píng)估，這表明了所提出的MR阻尼器的有效性。
參考文獻(xiàn)：Song J, Zhu A, Tu Y, et al. Magnetorheological Damper With Variable Displacement Permanent Magnet for Assisting the Transfer of Load in Lower Limb Exoskeleton [J]. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2024, 32: 43-52. DOI：10.1109/TNSRE.2023.3338969.
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