一种可携带线缆驱动的踝关节外骨骼

34 岁 MIT 博士后杨兴帮的人生格外 “硬朗”，他生于年平均气温仅有 3.3℃ 的黑龙江省绥化市，本科和博士（直博）均毕业于北航。目前已经身为人父的他，谈及今年夏天结束博后研究时去向，答案只有四个字：回国任教。

而他的研究领域也很硬 —— 康复辅助医疗，去年其作为通讯作者在《信息与电子工程前沿》（Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering）上，发表了以《可实现跖屈 - 背屈双向运动辅助的线缆驱动可携带式踝关节外骨骼》（“An untethered cable-driven ankle exoskeleton with plantarflexion-dorsiflexion bidirectional movement assistance”）为题的论文。

论文介绍了一种可携带线缆驱动的踝关节外骨骼（下称 “外骨骼”），他告诉 DeepTech，该设备主要面向踝关节功能未完全受损的足下垂患者，目的是通过机械训练让其恢复健康。

图 | 可携带线缆驱动的踝关节外骨骼

由于脑卒中、脊髓损伤或外伤等原因，足下垂患者的脚尖会不由自主地往下拖，稍不注意就会走路跌倒，进而引起关节损伤。而外骨骼拥有双向运动辅助功能，可通过主动控制把患者脚尖拉起来，从而保障正常行走。

杨兴帮表示，外骨骼的目标是让用户穿上后，能获得走路所需的关节力矩（力对物体作用时所产生的转动效应的物理量），同时提供正常的矫正步态，理论上患者不用出力就能正常行走。

外骨骼有七公斤重，主包含四部分：脚踝外骨骼、电源输出模块、线缆传输系统、传感及控制模块。

图 | 脚踝外骨骼（a）的概述、电源输出模块（b）的概述以及线缆传输系统（c）的膝部模块的详细示意图

第一部分是脚踝外骨骼，是外骨骼的主要执行部分，其主要作用在脚上，上部与一些管件连接，这些管件是线缆传递动力的通道，可对下肢起到保护作用；

第二部分是电源输出模块，内含 22.2V、容量为 5300mAh 的锂电池；

第三部分是线缆传输系统，负责将电机动力传递到末端，从而为脚步踝关节运动提供动力，并能起到辅助换向作用；

第四部分是传感及控制模块，主要通过足底压力传感器和 IMU（ Inertial Measurement Unit，一种与人体兼容的传感器）实现步态实时识别，并通过控制系统按照脚踝输出力矩的规律，来提供仿生力矩从而辅助患者运动。

图 | 足部压力传感器（a）的脚趾、前掌和脚跟的测量单位以及 IMU（b）的放置

具体工作时，主要涉及到以下步骤：首先，线缆会把动力从系在腰部的电机传递到脚部踝关节；其次是步态信息采集和识别，该设备采用足底压力传感器和 IMU 相结合的方式来采集行走信息，通过数据融合实现行走步态的实时识别；随后，控制模块将信息进行处理和分析，进行步态预测、并按照实时步态的特定时刻，来提供与脚踝力矩相同的辅助力矩，使设备力矩输出与人体步态实时结合，从而实现更好的人机相容。

图 | 外骨骼在矢状面上踝关节运动的受力和运动分析

比如，用户在某一步态时刻所需要的踝关节力矩，都可根据自身需求及脚踝力矩数据设定好，此外外骨骼还能根据行走步态、将助力曲线轮廓做实时变化，也能通过历史步态规律来实时预测当前步态。

双向运动设计 + 腰部负重线缆系统，用户佩戴更轻松

相比此前多数同类设备，外骨骼可实现双向运动辅助。人体脚踝的双向运动，指的是踝关节可以朝两个方向运动，脚平时可以往上或往下转动，往上转动叫背屈，往下转动叫跖屈。

图 | 背屈和跖屈

此前也有设备可做双向运动辅助，但设备普遍较重，因为它们大多把电机装载在末端即靠近脚踝处进行驱动，这样末端附加的转动惯量就会比较大，用户要消耗力气也更大，设备对末端的控制精度也会打折扣。

基于此，该团队提出了线缆驱动方案，通过脚跟和前掌的 4 根线缆提供动力、配合齿轮 - 滑轮换向结构以及运动控制，实现了踝关节跖屈 - 背屈的双向运动。优点在于可将主要质量集中在身体近端，减小身体远端的质量，从而减小附加转动惯量，佩戴起来更轻更舒适。

而双向运动辅助的好处，是能提高脚踝辅助功率，其原理是人脚在行走过程中，肌肉做功虽然主要在跖屈阶段，但在脚离地摆动阶段，也会有一个背屈运动，如果加一个辅助力，就能让人更省力。

值得一提的是，外骨骼的主要动力部件集中在腰部，通过线缆传输系统将辅助力传递到脚步。这样做的好处是可以减少身体末端负重，因为身体下端负重越大，附加转动惯量越大，佩戴就越不舒服。

比如，一些运动员为训练腿部肌肉，会在腿部或腰部穿沙袋，正是为了增加末端负重，增加肌肉训练强度。末端负重越大、力臂就越长，驱动负载所需的力矩也就越大，但对正常人来说，这个力矩其实是多余的，反而会增加穿戴者的能量消耗。

图 | 测量前脚拉索角 θf、后跟拉索角 θh 和脚踝旋转角 θa

从人体功效设计角度来说，将重量都放在人体近端，远端少放一点，那么脚部外力（惯性力）就会更小，抬脚也比较省事。因此，减少多余的转动惯量，为的就是减小人体做的无用功，从外骨骼角度来说，还能减小外骨骼的功耗并提高控制效率及精度。一言以蔽之，如果不想让用户自己去克服，那就需要让机器来克服。

为测试设计效果，在无 EXO（外骨骼）、有 EXO 断电和通电三种条件下，受试者佩戴上外骨骼后的小腿比目鱼肌运动量分别有所不同。当受试者穿着助力功能开启的外骨骼时，比目鱼肌的活动比不穿外骨骼时减少了 5.2%，比穿戴助力功能关闭的外骨骼时节省了 16.7% 的能量。

图 | 测试效果

在设备研发过程中，该团队专门研发出力反馈控制算法，还开发出了识别步态状态的仿生控制功能。仿生控制可追踪生物脚踝力矩，只有知道用户的具体步态时刻，才能在确定的步态时刻给到特定值。同时，只有知道特定步态和特定时间点的力，才能判断外骨骼需要在何时给力，这一过程就叫人机步态同步。

在测试中，一位 22 岁的佩戴者穿上外骨骼，就可实现在跑步机上行走。杨兴帮说，未来外骨骼有望实现让用户在跑步机上跑步。长远来看，外骨骼也可对任意健康人群施加行走助力和跑步助力，但考虑到速度和冲击的影响，还需在结构和功率上加以改进。

图 | 佩戴外骨骼在跑步机上行走

博后跟随 MIT 仿生义肢权威休・赫尔，数月后即将学成归国

杨兴帮的博后导师是休・赫尔（Hugh Herr），后者是 MIT 媒体实验室生物机械电子组的负责人。谈及来到该小组做研究，他说自己发邮件和赫尔联系过几次，对于赫尔研究的康复辅助设备他也非常感兴趣。与此同时，北航目前也在全力支持生物医学的发展。经过面试后，杨兴帮顺利来到该实验室。

图 | 麻省理工学院（MIT）教授休・赫尔

赫尔是 MIT 的终身教授，17 岁时因爬山遇暴风雪双腿冻伤而截肢，然而他并没有一蹶不振，悲天悯人，此后多年他不仅自研假肢继续攀岩，还成为仿生义肢的科研领军人物，并成立公司落地了多款产品。能跟着如此重磅的导师做科研，对于杨兴帮未来归国任教，一定会大有裨益。

2021 年 8 月，杨兴帮即将结束博士后研究，他表示到时肯定会回国任教，以及继续研究仿生机器人和康复辅助医疗。

现在虽然他人在美国，但也在远程协助北航的导师带学生。这位博后爸爸，有一个 2 岁半的儿子。对于几个月后回国发展，这位家乡位于东北的学者有着自己的愿望：“在教学上，我比较喜欢分享自己的所学和所感，也比较喜欢将自己所知教授给学生；在科研方面，我比较享受科研成果产出所带来的乐趣，希望能研究出造福于运动缺失患者的技术；从国家需求方面，我很愿意投身生物医疗相关技术及康复设备的研究。也就是希望在满足国家需求的同时，还能结合自己的兴趣做出一些成果来实现自我发展。”

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