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近日，南開大學團隊開發(fā)了一種輕量級的高扭矩移動雙側(cè)踝關(guān)節(jié)外骨骼，具有柔性末端執(zhí)行器和高效驅(qū)動。輕型外骨骼系統(tǒng)可以提供相當大的扭矩輔助，具有相當好的帶寬和跟蹤精度，有望促進外骨骼在現(xiàn)實生活和康復中的更多應用。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS》。

1、研究背景

外骨骼可以增強人體運動性能，各種外骨骼已被開發(fā)用于改善人類的活動能力，幫助康復，并研究人機交互。先前的研究表明，許多系繩外骨骼系統(tǒng)可以減少人體在步行和跑步時的代謝消耗。這些系統(tǒng)通常具有強大的外骨骼執(zhí)行器和輕量級的末端執(zhí)行器，便于研究定制的外骨骼輔助策略和人類在輔助下的適應性。然而，由于執(zhí)行器功率密度有限，移動外骨骼的設計需要在系統(tǒng)重量和驅(qū)動之間進行折衷功率。為了獲得更高的動力而增加驅(qū)動重量會擾亂人體的自然運動，從而導致代謝損失和疲勞。在有限的執(zhí)行器功率和重量下實現(xiàn)輔助效率最大化，有望提高移動外骨骼的容量，緩解開發(fā)困難。對于大多數(shù)電纜驅(qū)動的移動外骨骼系統(tǒng)，執(zhí)行器只能提供不到50%的步態(tài)周期的單向扭矩輔助。在其他步態(tài)階段，執(zhí)行器幾乎是閑置的，提供零扭矩和功率。利用空閑時間，使作動器輔助其它關(guān)節(jié)或方向，提高作動效率是有希望的。然而，將單個執(zhí)行器連接到多個末端執(zhí)行器會導致控制的復雜性，如輔助方向切換和冗余執(zhí)行器的合作。

2、研究概述

基于功能化導電聚合物的設計，研究團隊設計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現(xiàn)心臟的同步機械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機械運動和電活動。

該研究為了提高驅(qū)動效率，將雙側(cè)踝關(guān)節(jié)外骨骼的兩個執(zhí)行器分別連接到兩側(cè)的末端執(zhí)行器上，在不同的步態(tài)階段，它們相互協(xié)作，交替地為每條腿提供輔助。在不增加系統(tǒng)重量的情況下，執(zhí)行器的并聯(lián)和協(xié)作使外骨骼的輔助能力增加了一倍。本研究的貢獻是:(a)開發(fā)了一種輕量級、可移動的雙側(cè)踝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)優(yōu)化的末端執(zhí)行器和高效驅(qū)動。重量3.4公斤的系統(tǒng)可以為兩個腳踝提供80Nm的扭矩輔助，具有出色的功率/重量比。(b)通過并聯(lián)多個末端執(zhí)行器，提高了驅(qū)動效率。該設計方法有望擴展到其他電纜驅(qū)動的外骨骼，以提高輔助能力或減輕系統(tǒng)重量。(c)提出了一種基于迭代學習的反饋補償控制方法來克服鮑登索的非線性。實驗結(jié)果表明，該外骨骼具有較好的帶寬和扭矩跟蹤精度。

圖1：移動式雙側(cè)踝關(guān)節(jié)外骨骼（圖片來自原文）

圖2：外骨骼末端執(zhí)行器（圖片來自原文）

兩個關(guān)節(jié)組件連接節(jié)段并限制踝關(guān)節(jié)在50°跖屈至30°背屈之間旋轉(zhuǎn)。小腿部分通過尼龍搭扣連接到有襯墊的小腿包裹上，腳部分集成在跑鞋中。鮑登電纜連接足跟段和執(zhí)行器，向足跟帶傳遞向上的力，幫助踝關(guān)節(jié)跖屈，從而減少小腿肌肉的受力。幾項改進使末端執(zhí)行器更輕量和兼容。柄段包括兩個鉤形碳纖維支柱和一個x形橫梁。鉤形的幾何形狀旨在減少人腿和末端執(zhí)行器之間可能的接觸。柄碳纖維支撐在橫向平面上有10?內(nèi)旋轉(zhuǎn)(圖2(b))。大多數(shù)人在走路時通常會有幾度的腳趾，所以小腿支撐的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)有助于避免末端執(zhí)行器之間可能的碰撞。碳纖維的彈性使跟托提供串聯(lián)彈性，從而減少了界面阻抗。為了減少應力集中，進一步將跟托從之前的折線形狀改進為流線型形狀(圖2(a))。高強度綁帶取代了之前的鞋跟繩，卡在鞋跟支架和關(guān)節(jié)組件之間，提供了兼容的界面和低壓力。

圖3：(a)驅(qū)動系統(tǒng) (b)驅(qū)動電纜路徑 (c)執(zhí)行器脫離角度示意（圖片來自原文）

通過Bowden電纜將兩個執(zhí)行器分別連接到兩側(cè)的末端執(zhí)行器上，使一個執(zhí)行器可以在不同的步態(tài)階段輔助兩側(cè)，兩個執(zhí)行器可以協(xié)同驅(qū)動，為一側(cè)提供更高的輔助。兩個執(zhí)行器安裝在鋁制座椅上，并平行固定在碳纖維底座上(圖3(a))。每個執(zhí)行器都有一個雙層輸出滑輪，每一層都用滑輪橋重定向的驅(qū)動電纜捆扎，并連接到一條內(nèi)部鮑登電纜(圖3(b))。為避免驅(qū)動電纜之間的耦合和干擾，在每根電纜的擰緊角位置之間設計了一個脫離角(圖3(c))。

圖4：(a)不同驅(qū)動配置的原理圖 (b)設計的運行狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 (c)獨立模式下參數(shù)化的扭矩分布圖 (d)合作模式下兩個踝關(guān)節(jié)的期望扭矩分布圖（圖片來自原文）

由于驅(qū)動電纜的冗余性，驅(qū)動系統(tǒng)可以在獨立模式和協(xié)同模式之間運行(圖4(a))。當輔助小于40Nm時，單個執(zhí)行器可以輸出足夠的扭矩，使兩個執(zhí)行器分別為每個末端執(zhí)行器提供輔助。設計了一個狀態(tài)機來自動設置和轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)的工作模式(圖4(b))。其中t為該步幅的步態(tài)時間百分比，Tr、Tf、Tp和Γp分別代表上升時間、下降時間、峰值時間和峰值扭矩(見圖4(c))。

結(jié)果主要分為以下三個方面：

1）最大扭矩：所需的轉(zhuǎn)矩以步進信號的形式產(chǎn)生，在0.2 s上升，并保持0.8 s。獨立配置和協(xié)同配置的扭矩值分別為40Nm和80Nm，幾乎達到了目前發(fā)動機的極限。只有PD*控制器用于跟蹤所需轉(zhuǎn)矩。每次試驗進行30次，取結(jié)果平均值[圖5(a)]。獨立配置和合作配置的上升時間分別為78和110 ms。進行方向切換試驗，測試電機在獨立模式和合作模式下輔助方向切換時的切換時間。被測電機的期望角位置以300?幅度的階躍信號產(chǎn)生，以0.2 s上升并保持0.8 s，并由位置控制器跟蹤。該試驗也進行了30次[見圖5(b)]。平均切換時間為0.15 s，約占步態(tài)周期的13.5%，持續(xù)時間為1.1 s。

圖5：(a)最大扭矩 (b)位置階躍響應試驗 (c)轉(zhuǎn)矩頻率響應結(jié)果（圖片來自原文）

2）閉環(huán)扭矩帶寬：與最大轉(zhuǎn)矩階躍響應測試相同，通過PD*控制無補償?shù)鷮W習跟蹤期望轉(zhuǎn)矩。波德圖(圖5(c))由快速傅里葉變換(FFT)生成。每種情況執(zhí)行5次，結(jié)果取平均值。帶寬計算為增益下降至-3 dB。獨立模式和合作模式的增益限制閉環(huán)帶寬分別為10.0 Hz和10.9 Hz。

圖6：(a)不同控制器組合下轉(zhuǎn)矩跟蹤結(jié)果 (b)各控制器的航跡RMS-E（圖片來自原文）

3）扭矩控制器評估：對PD*、PD*+FF、PD*+ILC和PD*+FF+ILC控制器進行了獨立配置測試。一位經(jīng)驗豐富的用戶(男性，1.72米，70公斤)在跑步機上以1.25 ms−1的速度行走外骨骼。將所需扭矩曲線的上升時間、下降時間、峰值時間和峰值扭矩分別設置為25%、10%、48%和30Nm。在數(shù)據(jù)收集前的行走過程中對控制參數(shù)進行了很好的調(diào)整。對于每個被測控制器，在2分鐘的自適應行走和1分鐘的迭代學習后，收集1分鐘的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。取兩側(cè)踝關(guān)節(jié)測量扭矩的平均值，計算均方根誤差(RMS-E)(圖6(b))。通過模型補償，PD*+FF控制器的響應速度比簡單PD*控制器快，RMS-E顯著降低(0.98 ~ 0.45 Nm)。PD*+ILC和PD*+FF+ILC控制器可以消除大多數(shù)誤差，沖擊和變化較小。集成PD*+FF+ILC控制器實現(xiàn)了最低的RMS-E (0.30Nm，峰值扭矩的1%)。

3、研究意義

本研究利用執(zhí)行機構(gòu)的并聯(lián)和協(xié)同輔助來實現(xiàn)這一目標。每個執(zhí)行器可以在不同的步態(tài)階段輔助兩個末端執(zhí)行器，并且兩個執(zhí)行器可以協(xié)同輔助以提供雙輔助扭矩。獨立驅(qū)動模式具有良好的可控性，而合作驅(qū)動模式可提供高達80Nm的輔助扭矩。在力矩跟蹤對比實驗中測試的單作動器模式可以在一個作動器故障時發(fā)揮作用，增強了整個外骨骼系統(tǒng)的魯棒性。

參考文獻：

Chen J, Ding J, Han J, et al. Design and Evaluation of a Bilateral Mobile Ankle Exoskeleton With High-Efficiency Actuation[J]. IEEE Robotics and Automation Letters, 2024. DOI:10.1109/LRA.2024.3391695.