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  • Project MARCH打造外骨骼機器人,幫助脊髓損傷患者自由行走

    發布時間:2021-09-27 16:00    來源:雷尼紹

    關鍵詞:Project MARCH 外骨骼機器人 脊髓損傷患者 自由行走 雷尼紹

    摘要: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的開發,以改善殘障人士的日常生活

      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的開發,以改善殘障人士的日常生活。

      Project MARCH的合作與公關部工作人員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分鐘內以最快速度越過所有障礙物。”

      自2015年Project MARCH成立以來,雷尼紹及其關聯公司RLS就一直贊助該團隊,為他們提供RLS磁編碼器用于關節電機位置反饋。

      挑戰

      外骨骼機器人設計用于幫助人們行動,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系統來跟蹤控制器生成的關節基準軌跡。該團隊最初使用標準的比例積分微分 (PID) 控制器進行試驗,正如2019-2020屆團隊的嵌入式系統工程師Björn Minderman所說:“我們這屆團隊起初使用一個標準的PID控制器來控制關節的位置。后來我們發現,它無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,但其難點在于,針對不同的行走方式或步態,必須對PID控制器進行不同的調節。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,坐在沙發上時,控制器P值較高則會導致系統不穩定。這是一個巨大的挑戰。”

      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建,并針對每個障礙物定制。我們必須精確控制關節角度,以確保試用者的穩定性和安全,這需要高品質旋轉編碼器的位置反饋。

      “另外一個挑戰是,我們需要在電機附近進行測量,而這會產生電氣噪聲。外骨骼機器人中使用的電機會在電子元件附近產生強大的磁場,如果周圍有電線,則可能會產生信號噪聲。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節,同時還在髖部和踝部使用四個直線關節(直線旋轉復合關節)。這種動力關節組合模仿人類的肌肉骨骼系統,并提供更大的自由度,可以實現更高級的步態。

      Minderman先生重點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關節,其中兩個腳踝各一個關節,兩個膝蓋各一個,每側髖部各兩個。每個關節使用兩個編碼器。關節的電機旋轉,并通過減速裝置將電機的旋轉轉換為關節角度的變化。我們使用絕對式編碼器直接測量關節角度,因此一啟動就會知道關節位置,無需執行校準步驟。我們必須確保每個關節都處于正確的位置,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,由于電機的旋轉速度比關節快,因此這個編碼器可為我們提供更高的分辨率,從而有利于實現更佳的控制效果。電機編碼器主要用于控制回路,而關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,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)旋轉關節反饋的新型RLS AksIM?2絕對式編碼器,以及用于直線關節反饋的微型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將如何發展?

      “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,以相應地調整行走步態。這些都是我個人有興趣攻克的挑戰,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哪些技術。我們要看未來幾年的發展程度。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、Björn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。隨著技術的發展,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,該團隊致力于開發創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名學生組成,他們將在前輩們的開創性工作的基礎上繼續努力。

      Project MARCH每年都會參加Cybathlon的相關比賽,這是一項由世界各地的學術和商業團隊參與的殘障人士人機體育競賽。

      詳情請訪問www.renishaw.com.cn/projectmarch

      詳情請訪問www.renishaw.com.cn/encoders

    (責編:yangbo)
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