下肢外骨骼康复机器人设计，满足瘫痪患者康复治疗需求

你绝对未曾见识过那种能够协助人再度站立起来的“钢铁战衣”，不过它已然离开了实验室，正切实改变着无数瘫痪之人的生活。

机械结构设计要点

下肢外骨骼康复机器人的机械结构，是该整个系统得以立足的根基所在。设计团队依据人体解剖学展开构思，着重考量了髋、膝、踝这三个起到关键作用关节的自由度分配情况。其中，髋关节被设计成拥有三个自由度，膝关节是一个自由度，踝关节拥有两个自由度，如此这般，既能确保运动所具备的灵活性，而同时又能够防止出现过度冗余之状况。每条腿的连杆长度运用的是可调节的设计方式，借助滑槽以及定位销达成快速调整之目的，能够适配身高处于1.55米至1.85米范围内的不同患者。其整机在主体材料选择方面，选用的会是航空铝合金且用作主体材料，在确保强度得以保证的条件之下，把那种单腿重量给控制住，控制在3.2公斤以内这种水平。

采用柔性背板加刚性支撑的组合结构作为腰部连接件，背板内侧铺设着5毫米厚的记忆海绵用以分散患者腰部受力，两侧采用对称布置的髋关节驱动模块，其电机轴线与人体股骨头旋转中心对齐以此减少运动时的额外扭矩，大腿和小腿连杆上设计有多个绑带固定点，这些固定点位置可根据患者肌肉萎缩情况进行微调，从而最终确保穿戴时设备与肢体紧密贴合。

感知系统配置方案

使机器人知晓患者运动意图赖以依靠的是感知系统， 高精度绝对式编码器被安装在了机器人的踝关节以及膝关节转轴之处， 该编码器的型号为海德汉ROC425，其中分辨率已然达到了0.001度， 如此便能对关节的微小转动予以实时捕捉， 足底压力传感器挑选的是FlexiForce A201型薄膜传感器， 在脚掌与脚跟位置分别各布置了两个， 采样频率设定为100赫兹， 这可以较为精确地检测出患者于站立以及行走过程当中的重心转移状况。

采用六轴惯性传感器MPU6050的姿态测量单元，被安装在了患者腰部背板的中央，该传感器能实时输出三轴加速度以及三轴角速度数据，经过卡尔曼滤波算法处理后得到了躯干的倾斜角度，控制系统依据这些数据去判断患者是否出现失衡倾向，并且在20毫秒内调整各关节输出力矩，以此防止患者摔倒。

驱动系统选型计算

驱动系统选型是依据动力学分析得出的力矩数据，对身高1.75米、体重70公斤的健康男性进行步态实验，进而测得髋关节最大驱动力矩为48牛米，同时测得膝关节最大驱动力矩为35牛米。鉴于安全系数取1.5，所以髋关节驱动模块额定输出力矩得达到72牛米，而膝关节的则务必达到52.5牛米。

针对髋关节这一部位，最终选定用Maxon EC60无刷直流电机并且配合上谐波减速器来作为搭配。其中，髋关节电机的额定功率明确规定为200瓦那么其搭配的谐波减速器的减速倍数，则被挑选成50。针对膝关节地方，最终择取配备以用Maxon EC60无刷直流电机和选用和谐波减速器两者综合搭配的形式。其中，膝关节电机的额定功率确切设定为150瓦，配合的谐波减速器减速比精心挑选被设定成至30。电机驱动器方面，选用的是ESCON 70/10模块，该模块可以支持位置环控制、速度环调控和电流环调节这三种回路闭环运算方案选择不同情景，能够依托康复训练不同阶段来对其调节控制模式进行切换。

控制系统实现方法

控制系统运用分层架构进行设计，底层有着关节伺服控制层，该层基于STM32F407芯片，以1千赫兹的频率运行PD控制算法，其控制周期是1毫秒，位置跟踪误差被控制在0.1度以内，上层是运动规划层，它运行于树莓派4B平台上，负责解析患者运动意图并生成关节轨迹。

控制器参数借由动力学仿真予以整定，于Simulink里构建机器人虚拟样机模型，将实际步态数据输入当作期望轨迹，调试PD参数促使跟踪误差达至最小化，仿真结果显示，比例系数选取120、微分系数选取8时，膝关节角度跟踪误差未超出0.5度，力矩输出波动小于3牛米，在算法移植至实际控制器之前，还于硬件在环仿真平台开展了100小时连续运行测试。

人机交互与舒适性设计

康复训练效果会实实在在受到穿戴舒适性的直接影响，绑带系统运用三点式固定结构，在大腿部位两条绑带呈交叉状进行布置，于小腿部位一条绑带作横向固定，如此的布置方式能够切实有效地防止设备彼此发生相对滑动，绑带的内层使用透气网眼布，其外层是高强度尼龙织带，最大承受拉力可达到500牛。和皮肤接触的那些部分都完全采用抗菌防螨面料，历经50次水洗测试之后抑菌率依旧维持在99%以上。

人机交互界面设计着重关注那些操作起来具备简便特性的方面。康复医师借助7英寸触摸屏去开展设置训练参数的行为，这里面包含步速调节范围处于0.1至0.8米每秒之间，步幅调节范围处于30至50厘米之间。屏幕之上会实实在在地呈现出各个关节角度曲线以及足底压力分布情况，训练数据会自动留存于本地存储卡之中，并且支持运用USB接口予以导出并进行分析。患者所握持的急停开关采用的是按压式设计，触发那种动力仅仅需要5牛，以此来保障在紧急状况之下能够迅速地实现停机。

样机试制与测试进展

第一代的原理样机，已做完零部件的加工，以及装配调试的工作，机械加工部分，是委托深圳某精密机械厂去做的，关键传动件，用五轴加工中心制造，尺寸公差，被控制在 IT7 级以内，电气系统，于实验室内完成布线装配，所有线束，外套金属屏蔽管，接头处，采用防水航空插头，整机装配，耗时三天，由四位工程师协作做好，最后，进行了连续两小时的空载运行测试，没出现异常振动和异响。

当前，样机踏入初步穿戴测试时期，招募了三位下肢肌力呈现减退状况的志愿者去加入测试。其中，年龄最大的为68岁，年岁最小的是42岁。测试涵盖的内容有这样三个项目，即坐站转移、平地行走以及上下楼梯。并且，每次训练始终持续30分钟。志愿者反馈，设备原本穿着需要花费15分钟，但如今缩短到了8分钟。行走之际，髋部的束缚之感显著减轻了。接下来，有着开展小范围临床实行试验这般的计划，以便进一步去验证设备本身的安全性以及有效性。

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