可穿戴机器人

可穿戴机器人设备旨在为受损的肢体提供帮助，增强人类的能力，或帮助神经肌肉损伤的康复。因此，对于残疾人来说，这些技术尤其重要，因为它们可以增强功能以及移动性。

国外有些机构，特别是高校，在从事这方面的研究开发工作，也包括搭建一些方便大家进行研究的平台或工具，推进在这方面的产品开发，以便早日造福于人类。我们选择其中一两家简单了解一下：

【续前文】

紧凑弹簧设计

原因

弹簧是许多工程应用的重要组成部分，包括存储弹性能量、测量力或扭矩。 这种功能组合使得弹簧在以人为中心的机器人应用（例如康复技术、外骨骼和假肢）中非常受欢迎；然而，考虑到弹簧所要增加的重量和复杂性，可能会难以权衡这些移动系统。为了解决这个问题，他们开发了一种弹簧设计，它利用有效的负载条件、方便地和常见的传动部件配合，来产生每单位质量和体积的高能量存储。

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方法

弹簧设计包括与径向弯曲齿环接触的齿轮状凸轮轴。这些齿从固定到弹簧壳体的共用外环处向内突出。操作中，齿轮状凸轮轴相对于轮辋环旋转，在每个齿的尖端上施加接触力，并导致每个向内弯曲的部分像悬臂梁一样弯曲。为了最大限度地提高弹簧的能量存储，精心设计了凸轮轴，用以实现接近理想弯曲的加载条件——弯曲梁最有效的加载条件。为了最大限度地减少质量，弯曲部分逐渐变细，以确保整个弯曲表面在最大负载期间处于最大应力，从而明显地减少材料。为了最小化体积，采用了蛇形挠曲件，这样可以有效地在与直挠曲件相同的封闭体积内实现更长的梁，从而实现更大的能量存储。一共设计并测试了 4 个弹簧，测得的性能与所需的规格非常匹配。最后，还开发了一个“弹簧设计工具”，可以让设计过程自动化，将原本几天/一周的过程减少到几秒/几分钟。

5. 跳跃外骨骼

原因

下半身外骨骼主要设计用于减轻工作场所或军事应用中的行走负担。然而，还有其它繁重的工作场所任务，人们也可能会受益于外骨骼的辅助 为了充分提供这种帮助，外骨骼还需要协助些不太常见的活动，尤其是需要更多能量的任务。

像跑步机行走这样的稳态任务中，可以对不同的外骨骼，采用各种不同的控制策略，并且可以成功降低负荷和代谢功率。但大多数日常工作场所的任务，都不是容易复制的稳态任务。

在为德菲公司的ExoBoot中，设计了一个定制的状态机控制器，增加垂直跳跃高度。垂直弹跳是一项消耗能量、爆发力的任务，不过它也是孤立的（即非重复的），并且可以很容易分成三个阶段（蹲下、起跳和着陆）来进行控制。

因此，在追求更高要求的任务中使用外骨骼的时候，它可以成为一个理想的候选者。

方法

状态机控制器由四个状态组成。在状态零（State 0）下，施加一个小的偏置电流，绕行于 ExoBoot 上的电缆。 在状态一（State 1），扭矩根据虚拟弹簧常数，随脚踝角度而变化，为跳起做准备。 在状态二（State 2），用一个大的、参数化的偏移扭矩将跳器发射到空中，在状态三（State 3），扭矩回落到偏置状态，安全带解开到偏离脚踝角度的预设位置，以便促进安全着陆。可以为跳跃外骨骼的每个用户，各自调整用来定义状态机的参数。

状态机控制器工作循环

6. 跑步专用假脚

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原因

跑步与步行具有不同的生物力学（即脚踝产生的推力能量比步行时更多）。为了在跑步期间复制生物脚踝，已经开发出了跑步专用假肢（RSP：Running Specific Prosthese）。 RSP 旨在复制跑步时下肢的弹簧状行为，形状为弯曲悬臂梁，具有高存储和返回能量的能力。

目前，RSP 可按形状和刚度类别（不同制造商可能有所不同）进行分类，RSP 的设计和安装主要集中在试错法上。假肢专家倾向于根据用户体重和活动水平来制定 RSP，而不是根据最能满足用户需求的特定端点力学（即假脚脚趾的整体刚度和位移）。可以用有限元分析 (FEA：Finite Element Analysis) 来优化 RSP 的形状，以产生特定的端点力学，但这是一个需要解决的复杂问题。他们已经能够通过将一组复杂的端点力学简化为三个指标，以此来简化问题：假脚脚趾的角度、垂直和水平位移，然后可以用它来根据一组给定的端点力学设计 RSP。

RSP 形状由非均匀有理 B 样条定义，控制点有四个自由度，两个内部结（未示出）可以变化。曲线上的八个位置描述了厚度。脚趾几何形状是固定的，以保持脚部的滚动行为。 为了优化，脚向前倾斜 10°，并对脚趾施加 2000N 的标称垂直力。 Dx、Dy、Dθ 分别是脚趾的水平、垂直和角度偏转。

方法

他们开发了一种基于样条的定制优化，可根据一组给定的端点力学来优化 RSP 形状。 通过设计和表征具有不同水平偏转但有相同垂直和角度偏转的三种不同 RSP 来验证该方法。RSP 由碳纤维制成，其端点力学特征是通过向脚趾施加 2000N 的垂直载荷。三个原型的性能符合预期，并且展现了所期望的端点机制。

他们还对一名使用三种不同 RSP 跑步的受试者进行了生物力学分析。使用动作捕捉技术和仪表化跑步机，从而能够记录并了解 RSP 在人们佩戴时的行为方式。尽管脚上的角度和垂直偏转不是恒定的，但 RSP 仍能按照预期偏转（下图）。这些差异部分是由于在人体测试期间向 RSP 施加了不同的端点力，而不是在优化期间施加理想的力。 接下来将继续在其它膝盖以下和以上截肢的运动员身上测试这些 RSP，目的是在 RSP 力学和相关生物力学之间、以及最终在生物力学和运动员表现之间建立更好的映射。

在人体测试期间测量了三个正在运行的特定假肢（每个 RSP 用不同颜色线表示）的水平、垂直和角度偏转。

【未完待续】

农历癸卯五月廿六

2023.7.13