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輔助行動。
Project MARCH是荷蘭代爾夫特理工大學 (Delft University of Technology) 的一個非營利性多學科學生團隊，他們的目標是開發(fā)和制造能夠幫助SCI患者站立和行走的先進原型外骨骼機器人。
該團隊還參加了四年一屆的殘障人士人機體育競賽 — Cybathlon（也稱仿生學奧運會），以及一年一度規(guī)模較小的衍生賽事 — Cybathlon Experience（也稱仿生學奧運會體驗賽）。這些國際比賽的目的是推動人類假肢、先進輪椅和外骨骼技術(shù)的開發(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：“每年，學校都會組建一支新的多學科學生團隊，他們將暫停學業(yè)一年，全力以赴設計自己的原型外骨骼機器人。我們會與一位‘試用者’（即一位完全脊髓損傷（截癱）患者）合作完成這個項目，由這位來控制外骨骼機器人。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員的競賽。參賽者將參加電動輪椅比賽或思維控制比賽等項目。我們 [Project MARCH] 參加的是動力外骨骼機器人比賽，這是一項障礙賽，有六個障礙物依次排開，參賽者必須在10分鐘內(nèi)以最快速度越過所有障礙物。”
自2015年P(guān)roject MARCH成立以來，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(jié)電機位置反饋。
挑戰(zhàn)
外骨骼機器人設計用于幫助人們行動，需要使用者的身體緊密接觸，因此性能會受到許多因素影響，包括機械結(jié)構(gòu)、執(zhí)行器和反饋設備，以及人機交互等。
針對如此復雜的系統(tǒng)，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(tǒng)來跟蹤控制器生成的關(guān)節(jié)基準軌跡。該團隊最初使用標準的比例積分微分 (PID) 控制器進行試驗，正如2019-2020屆團隊的嵌入式系統(tǒng)工程師Bjrn Minderman所說：“我們這屆團隊起初使用一個標準的PID控制器來控制關(guān)節(jié)的位置。后來我們發(fā)現(xiàn)，它無法提供我們想要的結(jié)果。因此，我們的控制工程師決定改用基于扭矩的控制法則，但其難點在于，針對不同的行走方式或步態(tài)，必須對PID控制器進行不同的調(diào)節(jié)。例如：上樓梯時，必須輸出大量扭矩，因此需要進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，控制器P值較高則會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。這是一個巨大的挑戰(zhàn)。”
外骨骼機器人的試用者必須通過嵌入在拐杖中的人機界面 (HMI) 預先選定每項任務所需的運動類型。這些運動方式由該團隊的運動工程師離線創(chuàng)建，并針對每個障礙物定制。我們必須精確控制關(guān)節(jié)角度，以確保試用者的穩(wěn)定性和安全，這需要高品質(zhì)旋轉(zhuǎn)編碼器的位置反饋。
“另外一個挑戰(zhàn)是，我們需要在電機附近進行測量，而這會產(chǎn)生電氣噪聲。外骨骼機器人中使用的電機會在電子元件附近產(chǎn)生強大的磁場，如果周圍有電線，則可能會產(chǎn)生信號噪聲。將數(shù)據(jù)從編碼器可靠地傳輸?shù)紺PU，而不丟失任何信息，這是一個挑戰(zhàn)，”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(zhuǎn)關(guān)節(jié)，同時還在髖部和踝部使用四個直線關(guān)節(jié)（直線旋轉(zhuǎn)復合關(guān)節(jié)）。這種動力關(guān)節(jié)組合模仿人類的肌肉骨骼系統(tǒng)，并提供更大的自由度，可以實現(xiàn)更高級的步態(tài)。
Minderman先生重點介紹了位置編碼器在該系統(tǒng)中的重要作用：“我們的外骨骼機器人有八個關(guān)節(jié)，其中兩個腳踝各一個關(guān)節(jié)，兩個膝蓋各一個，每側(cè)髖部各兩個。每個關(guān)節(jié)使用兩個編碼器。關(guān)節(jié)的電機旋轉(zhuǎn)，并通過減速裝置將電機的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)角度的變化。我們使用絕對式編碼器直接測量關(guān)節(jié)角度，因此一啟動就會知道關(guān)節(jié)位置，無需執(zhí)行校準步驟。我們必須確保每個關(guān)節(jié)都處于正確的位置，并遵循我們的運動工程師設計的軌跡。”
Minderman先生繼續(xù)說道：“我們還在電機上安裝了另一個編碼器，由于電機的旋轉(zhuǎn)速度比關(guān)節(jié)快，因此這個編碼器可為我們提供更高的分辨率，從而有利于實現(xiàn)更佳的控制效果。電機編碼器主要用于控制回路，而關(guān)節(jié)編碼器則作為額外的安全措施。編碼器分辨率對于確保控制效果非常重要，之前，在根據(jù)位置計算速度時，我們遇到了一些問題。由于需要細分編碼器信號，因此位置測量誤差會被放大，這就是我們需要較高分辨率的原因。”
MARCH IVc外骨骼機器人集成了用于高分辨率（17位）旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)反饋的新型RLS AksIM2絕對式編碼器，以及用于直線關(guān)節(jié)反饋的微型RLS RM08絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器。
結(jié)果
雷尼紹和RLS的持續(xù)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(zhàn)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，到那時我們無需拐杖就能使我們的外骨骼機器人保持平衡。這意味著，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(diào)整行走步態(tài)。這些都是我個人有興趣攻克的挑戰(zhàn)，但學校每年都會組建一支新的Project MARCH團隊，因此到時會由新的團隊來決定開發(fā)哪些技術(shù)。我們要看未來幾年的發(fā)展程度。這是我們奮斗的目標，而且永不止步，”Minderman先生說道。
RLS和雷尼紹與客戶緊密合作，針對其應用場景提供最佳測量解決方案，正如Keulen女士所說：“今年年初，我、Bjrn以及我們團隊中參與電氣設計的其他同學與雷尼紹的銷售工程師Rene Van der Slot舉行了一次洽談。Rene并沒有只是將編碼器帶過來，然后告訴我們‘你們應該用這個或者那個’。相反，他仔細了解了我們的應用，詢問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并沒有試圖向我們推銷我們不需要的東西。他們會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不是簡單粗暴地銷售編碼器，他們還會考慮整個設計以及編碼器的適用性。”
為了致敬雷尼紹、RLS與Project MARCH之間的成功合作，在Precisiebeurs 2019荷蘭貿(mào)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，生動展現(xiàn)了RLS磁編碼器的實際應用。
雷尼紹和RLS希望能夠支持未來的Project MARCH團隊在Cybathlon大賽中取得勝利。隨著技術(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(shù)百萬殘障人士的生活。
Project MARCH簡介
Project MARCH是荷蘭代爾夫特理工大學 (Delft University of Technology) 的一個學生團隊，該團隊致力于開發(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。現(xiàn)在，Project MARCH的第六屆團隊由26名學生組成，他們將在前輩們的開創(chuàng)性工作的基礎上繼續(xù)努力。
Project MARCH每年都會參加Cybathlon的相關(guān)比賽，這是一項由世界各地的學術(shù)和商業(yè)團隊參與的殘障人士人機體育競賽。