外骨骼机器人｜自由行走的未来

每年，全世界大约有250,000至500,000人遭受脊髓损伤。脊髓损伤 (SCI) 通常会导致下肢瘫痪(截瘫)或全身瘫痪(四肢瘫痪)，而脊髓损伤患者通常只能使用轮椅来辅助行动。
 
Project MARCH是荷兰代尔夫特理工大学 (Delft University of Technology)的一个非营利性多学科学生团队，他们的目标是开发和制造能够帮助SCI患者站立和行走的先进原型外骨骼机器人。
 

该团队还参加了四年一届的残障人士人机体育竞赛 — Cybathlon(也称仿生学奥运会)，以及一年一度规模较小的衍生赛事 —Cybathlon Experience(也称仿生学奥运会体验赛)。

外骨骼机器人的试用者必须通过嵌入在拐杖中的人机界面 (HMI) 预先选定每项任务所需的运动类型。这些运动方式由该团队的运动工程师离线创建，并针对每个障碍物定制。必须精确控制关节角度，以确保试用者的稳定性和安全，这需要高品质旋转编码器的位置反馈。
 
另外一个挑战是，需要在电机附近进行测量，而这会产生电气噪声。外骨骼机器人中使用的电机会在电子元件附近产生强大的磁场，如果周围有电线，则可能会产生信号噪声。将数据从编码器可靠地传输到CPU，而不丢失任何信息，这是一个挑战。

2020年8月，该团队推出了最新型“MARCH IVc”外骨骼机器人，该机器人在髋部和膝部使用旋转关节，同时还在髋部和踝部使用四个直线关节(直线旋转复合关节)。这种动力关节组合模仿人类的肌肉骨骼系统，并提供更大的自由度，可以实现更高级的步态。
 
嵌入式系统工程师Björn Minderman先生重点介绍了位置编码器在该系统中的重要作用：“我们的外骨骼机器人有八个关节，其中两个脚踝各一个关节，两个膝盖各一个，每侧髋部各两个。每个关节使用两个编码器。关节的电机旋转，并通过减速装置将电机的旋转转换为关节角度的变化。我们使用绝对式编码器直接测量关节角度，因此一启动就会知道关节位置，无需执行校准步骤。我们必须确保每个关节都处于正确的位置，并遵循我们的运动工程师设计的轨迹。”

Minderman先生继续说道：“我们还在电机上安装了另一个编码器，由于电机的旋转速度比关节快，因此这个编码器可为我们提供更高的分辨率，从而有利于实现更佳的控制效果。电机编码器主要用于控制回路，而关节编码器则作为额外的安全措施。编码器分辨率对于确保控制效果非常重要，之前，在根据位置计算速度时，我们遇到了一些问题。由于需要细分编码器信号，因此位置测量误差会被放大，这就是我们需要较高分辨率的原因。”
 
MARCH IVc外骨骼机器人集成了用于高分辨率(17位)旋转关节反馈的新型RLS AksIM‑2绝对式编码器，以及用于直线关节反馈的微型RLS RM08绝对式旋转编码器。
 
雷尼绍和RLS希望能够支持未来的Project MARCH团队在Cybathlon大赛中取得胜利。
 
随着技术的发展，外骨骼机器人以及其他可穿戴机器人假肢有望彻底改变数百万残障人士的生活。

（来源：雷尼绍Renishaw）