外骨骼機(jī)器人｜自由行走的未來(lái)

每年，全世界大約有250,000至500,000人遭受脊髓損傷。脊髓損傷 (SCI) 通常會(huì)導(dǎo)致下肢癱瘓(截癱)或全身癱瘓(四肢癱瘓)，而脊髓損傷患者通常只能使用輪椅來(lái)輔助行動(dòng)。
 
Project MARCH是荷蘭代爾夫特理工大學(xué) (Delft University of Technology)的一個(gè)非營(yíng)利性多學(xué)科學(xué)生團(tuán)隊(duì)，他們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)和制造能夠幫助SCI患者站立和行走的先進(jìn)原型外骨骼機(jī)器人。
 

該團(tuán)隊(duì)還參加了四年一屆的殘障人士人機(jī)體育競(jìng)賽 — Cybathlon(也稱仿生學(xué)奧運(yùn)會(huì))，以及一年一度規(guī)模較小的衍生賽事 —Cybathlon Experience(也稱仿生學(xué)奧運(yùn)會(huì)體驗(yàn)賽)。

外骨骼機(jī)器人的試用者必須通過(guò)嵌入在拐杖中的人機(jī)界面 (HMI) 預(yù)先選定每項(xiàng)任務(wù)所需的運(yùn)動(dòng)類型。這些運(yùn)動(dòng)方式由該團(tuán)隊(duì)的運(yùn)動(dòng)工程師離線創(chuàng)建，并針對(duì)每個(gè)障礙物定制。必須精確控制關(guān)節(jié)角度，以確保試用者的穩(wěn)定性和安全，這需要高品質(zhì)旋轉(zhuǎn)編碼器的位置反饋。
 
另外一個(gè)挑戰(zhàn)是，需要在電機(jī)附近進(jìn)行測(cè)量，而這會(huì)產(chǎn)生電氣噪聲。外骨骼機(jī)器人中使用的電機(jī)會(huì)在電子元件附近產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，如果周圍有電線，則可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)噪聲。將數(shù)據(jù)從編碼器可靠地傳輸?shù)紺PU，而不丟失任何信息，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。

2020年8月，該團(tuán)隊(duì)推出了最新型“MARCH IVc”外骨骼機(jī)器人，該機(jī)器人在髖部和膝部使用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，同時(shí)還在髖部和踝部使用四個(gè)直線關(guān)節(jié)(直線旋轉(zhuǎn)復(fù)合關(guān)節(jié))。這種動(dòng)力關(guān)節(jié)組合模仿人類的肌肉骨骼系統(tǒng)，并提供更大的自由度，可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的步態(tài)。
 
嵌入式系統(tǒng)工程師Björn Minderman先生重點(diǎn)介紹了位置編碼器在該系統(tǒng)中的重要作用：“我們的外骨骼機(jī)器人有八個(gè)關(guān)節(jié)，其中兩個(gè)腳踝各一個(gè)關(guān)節(jié)，兩個(gè)膝蓋各一個(gè)，每側(cè)髖部各兩個(gè)。每個(gè)關(guān)節(jié)使用兩個(gè)編碼器。關(guān)節(jié)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)減速裝置將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)角度的變化。我們使用絕對(duì)式編碼器直接測(cè)量關(guān)節(jié)角度，因此一啟動(dòng)就會(huì)知道關(guān)節(jié)位置，無(wú)需執(zhí)行校準(zhǔn)步驟。我們必須確保每個(gè)關(guān)節(jié)都處于正確的位置，并遵循我們的運(yùn)動(dòng)工程師設(shè)計(jì)的軌跡?！?/span>

Minderman先生繼續(xù)說(shuō)道：“我們還在電機(jī)上安裝了另一個(gè)編碼器，由于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度比關(guān)節(jié)快，因此這個(gè)編碼器可為我們提供更高的分辨率，從而有利于實(shí)現(xiàn)更佳的控制效果。電機(jī)編碼器主要用于控制回路，而關(guān)節(jié)編碼器則作為額外的安全措施。編碼器分辨率對(duì)于確?？刂菩Ч浅Ｖ匾?，之前，在根據(jù)位置計(jì)算速度時(shí)，我們遇到了一些問(wèn)題。由于需要細(xì)分編碼器信號(hào)，因此位置測(cè)量誤差會(huì)被放大，這就是我們需要較高分辨率的原因。”
 
MARCH IVc外骨骼機(jī)器人集成了用于高分辨率(17位)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)反饋的新型RLS AksIM‑2絕對(duì)式編碼器，以及用于直線關(guān)節(jié)反饋的微型RLS RM08絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器。
 
雷尼紹和RLS希望能夠支持未來(lái)的Project MARCH團(tuán)隊(duì)在Cybathlon大賽中取得勝利。
 
隨著技術(shù)的發(fā)展，外骨骼機(jī)器人以及其他可穿戴機(jī)器人假肢有望徹底改變數(shù)百萬(wàn)殘障人士的生活。

（來(lái)源：雷尼紹Renishaw）