背景

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)生團隊，他們的目標是開(kāi)發(fā)和制造能夠幫助SCI患者站立和行走的先進(jìn)原型外骨骼機器人。

該團隊還參加了四年一屆的殘障人士人機體育競賽 — Cybathlon（也稱(chēng)仿生學(xué)奧運會(huì )），以及一年一度規模較小的衍生賽事 — Cybathlon Experience（也稱(chēng)仿生學(xué)奧運會(huì )體驗賽）。這些國際比賽的目的是推動(dòng)人類(lèi)假肢、先進(jìn)輪椅和外骨骼技術(shù)的開(kāi)發(fā)，以改善殘障人士的日常生活。

Project MARCH的合作與公關(guān)部工作人員Martine Keulen解釋說(shuō)：“每年，學(xué)校都會(huì )組建一支新的多學(xué)科學(xué)生團隊，他們將暫停學(xué)業(yè)一年，全力以赴設計自己的原型外骨骼機器人。我們會(huì )與一位‘試用者’（即一位完全脊髓損傷（截癱）患者）合作完成這個(gè)項目，由這位來(lái)控制外骨骼機器人。這位試用者原本使用輪椅，但一旦穿上外骨骼機器人，就可以借助外骨骼站立、行走及克服其他障礙。Cybathlon是一項面向使用技術(shù)輔助設備的殘疾人運動(dòng)員的競賽。參賽者將參加電動(dòng)輪椅比賽或思維控制比賽等項目。我們 [Project MARCH] 參加的是動(dòng)力外骨骼機器人比賽，這是一項障礙賽，有六個(gè)障礙物依次排開(kāi)，參賽者必須在10分鐘內以最快速度越過(guò)所有障礙物?！?/p>

自2015年P(guān)roject MARCH成立以來(lái)，雷尼紹及其關(guān)聯(lián)公司RLS就一直贊助該團隊，為他們提供RLS磁編碼器用于關(guān)節電機位置反饋。

挑戰

外骨骼機器人設計用于幫助人們行動(dòng)，需要使用者的身體緊密接觸，因此性能會(huì )受到許多因素影響，包括機械結構、執行器和反饋設備，以及人機交互等。 

針對如此復雜的系統，設計控制法則的難度很大。在本案例中，Project MARCH使用由試用者和外骨骼機器人組成的閉環(huán)系統來(lái)跟蹤控制器生成的關(guān)節基準軌跡。該團隊最初使用標準的比例積分微分 (PID) 控制器進(jìn)行試驗，正如2019-2020屆團隊的嵌入式系統工程師Bj?rn Minderman所說(shuō)：“我們這屆團隊起初使用一個(gè)標準的PID控制器來(lái)控制關(guān)節的位置。后來(lái)我們發(fā)現，它無(wú)法提供我們想要的結果。因此，我們的控制工程師決定改用基于扭矩的控制法則，但其難點(diǎn)在于，針對不同的行走方式或步態(tài)，必須對PID控制器進(jìn)行不同的調節。例如：上樓梯時(shí)，必須輸出大量扭矩，因此需要進(jìn)行高剛性的伺服控制并設定較高的P [比例] 值。然而，坐在沙發(fā)上時(shí)，控制器P值較高則會(huì )導致系統不穩定。這是一個(gè)巨大的挑戰?！?/p>

外骨骼機器人的試用者必須通過(guò)嵌入在拐杖中的人機界面 (HMI) 預先選定每項任務(wù)所需的運動(dòng)類(lèi)型。這些運動(dòng)方式由該團隊的運動(dòng)工程師離線(xiàn)創(chuàng )建，并針對每個(gè)障礙物定制。我們必須精確控制關(guān)節角度，以確保試用者的穩定性和安全，這需要高品質(zhì)旋轉編碼器的位置反饋。

“另外一個(gè)挑戰是，我們需要在電機附近進(jìn)行測量，而這會(huì )產(chǎn)生電氣噪聲。外骨骼機器人中使用的電機會(huì )在電子元件附近產(chǎn)生強大的磁場(chǎng)，如果周?chē)须娋€(xiàn)，則可能會(huì )產(chǎn)生信號噪聲。將數據從編碼器可靠地傳輸到CPU，而不丟失任何信息，這是一個(gè)挑戰，”Minderman先生補充道。

解決方案

2020年8月，該團隊推出了最新型“MARCH IVc”外骨骼機器人，該機器人在髖部和膝部使用旋轉關(guān)節，同時(shí)還在髖部和踝部使用四個(gè)直線(xiàn)關(guān)節（直線(xiàn)旋轉復合關(guān)節）。這種動(dòng)力關(guān)節組合模仿人類(lèi)的肌肉骨骼系統，并提供更大的自由度，可以實(shí)現更高級的步態(tài)。 

Minderman先生重點(diǎn)介紹了位置編碼器在該系統中的重要作用：“我們的外骨骼機器人有八個(gè)關(guān)節，其中兩個(gè)腳踝各一個(gè)關(guān)節，兩個(gè)膝蓋各一個(gè)，每側髖部各兩個(gè)。每個(gè)關(guān)節使用兩個(gè)編碼器。關(guān)節的電機旋轉，并通過(guò)減速裝置將電機的旋轉轉換為關(guān)節角度的變化。我們使用絕對式編碼器直接測量關(guān)節角度，因此一啟動(dòng)就會(huì )知道關(guān)節位置，無(wú)需執行校準步驟。我們必須確保每個(gè)關(guān)節都處于正確的位置，并遵循我們的運動(dòng)工程師設計的軌跡?！?/p>

Minderman先生繼續說(shuō)道：“我們還在電機上安裝了另一個(gè)編碼器，由于電機的旋轉速度比關(guān)節快，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)現更佳的控制效果。電機編碼器主要用于控制回路，而關(guān)節編碼器則作為額外的安全措施。編碼器分辨率對于確?？刂菩Ч浅Ｖ匾?，之前，在根據位置計算速度時(shí)，我們遇到了一些問(wèn)題。由于需要細分編碼器信號，因此位置測量誤差會(huì )被放大，這就是我們需要較高分辨率的原因?！?/p>

MARCH IVc外骨骼機器人集成了用于高分辨率（17位）旋轉關(guān)節反饋的新型RLS AksIM?2絕對式編碼器，以及用于直線(xiàn)關(guān)節反饋的微型RLS RM08絕對式旋轉編碼器。

結果 

雷尼紹和RLS的持續支持幫助歷屆Project MARCH團隊不斷突破，打造出全新的原型外骨骼機器人。但是，在備戰Cybathlon 2024比賽期間，這項振奮人心的技術(shù)將如何發(fā)展？ 

“我希望，到那時(shí)我們無(wú)需拐杖就能使我們的外骨骼機器人保持平衡。這意味著(zhù)，我們將尋找另一種輸入形式，使外骨骼機器人能夠自主檢測樓梯等障礙物，甚至測量立板高度，以相應地調整行走步態(tài)。這些都是我個(gè)人有興趣攻克的挑戰，但學(xué)校每年都會(huì )組建一支新的Project MARCH團隊，因此到時(shí)會(huì )由新的團隊來(lái)決定開(kāi)發(fā)哪些技術(shù)。我們要看未來(lái)幾年的發(fā)展程度。這是我們奮斗的目標，而且永不止步，”
Minderman先生說(shuō)道。 

RLS和雷尼紹與客戶(hù)緊密合作，針對其應用場(chǎng)景提供最佳測量解決方案，正如Keulen女士所說(shuō)：“今年年初，我、Bj?rn以及我們團隊中參與電氣設計的其他同學(xué)與雷尼紹的銷(xiāo)售工程師Rene Van der Slot舉行了一次洽談。Rene并沒(méi)有只是將編碼器帶過(guò)來(lái)，然后告訴我們‘你們應該用這個(gè)或者那個(gè)’。相反，他仔細了解了我們的應用，詢(xún)問(wèn)我們的外骨骼機器人的工作原理以及我們的需求。雷尼紹和RLS并沒(méi)有試圖向我們推銷(xiāo)我們不需要的東西。他們會(huì )考慮我們需要什么以及如何為我們提供幫助。我認為，正是因為他們對我們的項目的濃厚興趣，才使得此次合作如此成功。我們知道，雷尼紹和RLS不是簡(jiǎn)單粗暴地銷(xiāo)售編碼器，他們還會(huì )考慮整個(gè)設計以及編碼器的適用性?！?span style="text-indent: 2em;"> 

為了致敬雷尼紹、RLS與Project MARCH之間的成功合作，在Precisiebeurs 2019荷蘭貿易展期間，
Project MARCH團隊成員在雷尼紹展臺展示了一臺上一代MARCH外骨骼機器人的原型機，生動(dòng)展現了
RLS磁編碼器的實(shí)際應用。 

雷尼紹和RLS希望能夠支持未來(lái)的Project MARCH團隊在Cybathlon大賽中取得勝利。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，外骨骼機器人以及其他可穿戴機器人假肢有望徹底改變數百萬(wàn)殘障人士的生活。

Project MARCH簡(jiǎn)介

Project MARCH是荷蘭代爾夫特理工大學(xué) (Delft University of Technology) 的一個(gè)學(xué)生團隊，該團隊致力于開(kāi)發(fā)創(chuàng )新型多功能外骨骼機器人，以幫助脊髓損傷患者站立和行走?，F在，Project MARCH的第六屆團隊由26名學(xué)生組成，他們將在前輩們的開(kāi)創(chuàng )性工作的基礎上繼續努力。 

Project MARCH每年都會(huì )參加Cybathlon的相關(guān)比賽，這是一項由世界各地的學(xué)術(shù)和商業(yè)團隊參與的殘障人士人機體育競賽。 

關(guān)于雷尼紹

雷尼紹是世界領(lǐng)先的工程科技公司之一，在精密測量和醫療保健領(lǐng)域擁有專(zhuān)業(yè)技術(shù)。公司向眾多行業(yè)和領(lǐng)域提供產(chǎn)品和服務(wù) — 從飛機引擎、風(fēng)力渦輪發(fā)電機制造，到口腔和腦外科醫療設備等。此外，它
還在全球增材制造（也稱(chēng)3D打?。╊I(lǐng)域居領(lǐng)導地位，是一家設計和制造工業(yè)用增材制造設備（通過(guò)金屬粉末“打印”零件）的公司。

雷尼紹集團目前在37個(gè)國家/地區設有79個(gè)分支機構，員工4,400人，其中2,500余名員工在英國本土工作。公司的大部分研發(fā)和制造均在英國本土進(jìn)行，在截至2020年6月的2020財年，雷尼紹實(shí)現銷(xiāo)售收入5.10億英鎊，其中94%來(lái)自出口業(yè)務(wù)。公司最大的市場(chǎng)為中國、美國、日本和德國。