可穿戴外骨骼是一种由外骨骼模样的框架组成,且可让人穿上的机器,它涉及生物运动学、机器人学、信息科学、人工智能等跨科学知识,此前,美国 SuitX 公司开发了一套可穿戴外骨骼Phoenix,最近,北京航空航天大学也做出了类似的产品,并有望在不久实现商业化。

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脊髓损伤和中风患者经常需要步态康复,以帮助他们保持行走或加强其肌肉的能力。可穿戴的“机器人辅助训练”作为一种有助于加强这种康复过程的技术正在迅速出现。

来自中国北京航空航天大学和丹麦奥尔堡大学的研究人员团队在这一领域取得了重大进展。他们设计了一个下肢机器人外骨骼,一个可穿戴的机器人,它具有自然的膝关节运动,可以显著提高患者的舒适度,更愿意穿着它进行步态康复。

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在最近出版的Review of Scientific Instruments杂志上,该团队发表了相关研究论文。他们表示,他们的机器人外骨骼旨在帮助中风患者增强体质,帮助瘫痪病人进行康复训练,或帮助那些有需要的人协助完成日常活动。

其实,外骨骼机器人并不是一个新概念。他们已经进行了非常详细的分析,并针对下肢做了大量设计。该团队的方法是重点关注膝关节,这是人体内一个非常复杂的机械系统,也是步态中一个非常关键的部位。

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膝关节运动由沿着其关节表面的多个骨骼肌触发,并且围绕其旋转中心移动。研究人员推测,一个类似骨骼肌的平行机制是否有助于产生一个仿生膝关节。

北京航空航天大学教授陈伟海表示,“我们新设计的是一个平行膝关节,可以提高外骨骼的仿生性和适应性。”

具体来说,该团队创建的外骨骼用串并联混合动力结构包含一一个自由度(DOF)建在矢状面关节模块和一二自由度关节模块。此外,一个平面的两自由度并联机构有助于完全适应人类膝关节的运动,让它旋转和相对滑动。

当穿着机器人进行步态康复时,运动透明度是很重要的。简单地说,当使用外骨骼时,其运动应当与患者的自然运动一致并同步。

“否则,它对人类关节施加额外的力量,”陈教授说,“而这些额外的力量会让患者不舒服,并让运动不自然。”

因此,该团队选择将重点放在仿生机械设计上以实现这一目标。

陈教授说,“为了提高机器人的透明度,我们研究了人体的结构,然后创建了这个基于生物特征设计的下肢外骨骼模型。”

在这个设计中,首次在膝关节中使用平行机构来复制骨骼肌。“我们的设计超越了解决膝盖关节的透明度问题-这是一个简单的结构,”陈教授补充道,“跟以往的大多数外骨骼不同的是,我们简化了膝关节仅仅作为一个销钉连接,赋予它两个自由度,让外骨骼的动作跟病人的自然动作一致。”

至于其应用,外骨骼的主要作用是帮助脊髓损伤或中风患者的康复。

“我们计划将其简化为可穿戴式,并提供舒适的训练体验,”陈教授说,“我们团队还在开发VR游戏,让训练过程变得更愉快有趣。”

该团队正在研究通过病人的肌电图(EMG)信号来控制他们的外骨骼,这让他们更容易参与到他们的训练中去。

陈教授表示,“我们可以从一个病人的脑电图(EEG)获得运动意图,用它来直接控制外骨骼。这些改进让外骨骼更易于控制,使它成为人体的一部分。”

再下一步,研究小组计划跟医院合作,让患者试用机器人可以得到医生和患者提供的重要反馈。

“我们也希望在不久的将来将其商业化,因此我们将努力使机器人的外观更吸引人,并让用户界面变得更友好。”陈教授强调。

(Yufy编译整理)