世界步行日丨穿上外骨骼，他們也能重新行走了！

出品：科普中國

作者：陳丹惠（中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

每年的9月29日是“世界步行日”，然而，并不是所有群體都能擁有一段“說走就走”的步行體驗。對于老年群體與肢體殘疾患者來說，像普通人那樣正常行走其實是一種奢望。而科技，為這群人提供了行走的權利。

彌補需求缺口，“不行”變“步行”

根據國家統(tǒng)計局發(fā)布的關于人口的最新數據可知，截至2022年，我國60歲以上老人達到2.8億，占全國人口的19.8%。而我國是中風病的高發(fā)地區(qū)之一，在幸存者中約70%—80%的病人留有不同程度的肢體殘疾。

行動不便的老年群體

（圖片來源：Veer圖庫）

此外，由于意外事故引起的肢體損傷患者的數量也不在少數。2021年殘疾人事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報數據顯示，肢體殘疾人407萬，與其他殘疾種類人群相比，人數最多。

我國龐大的肢體殘疾人數使得我國康復醫(yī)療設備的供給存在巨大缺口。

為了給行動不便的老年人與肢體殘疾患者提供更好的康復服務，我國的康復專家、科研人員都在嘗試以智能技術助力這類群體的日常出行。由中國科學院合肥物質科學研究院機械智能研究所先進制造中心研發(fā)的下肢外骨骼助行機器人，就是康復醫(yī)療設備的成果之一。

下肢外骨骼助行機器人是穿戴在操作者下肢的一種典型的人機一體化系統(tǒng)，綜合了仿生機構、傳感信息檢測與融合、人體意圖識別與協調控制等機器人技術，有機地結合了操作者的智力和機器人的“體力”。

這個設備主要面向中風、脊柱損傷兩大類患者與老人的助行，能夠幫助他們實現平地行走、上下樓梯、原地平衡踏步、跨越障礙物等典型的運動步態(tài)。

人機搭配，步行不累

2014年初，中國科學院合肥物質科學研究院機械智能研究所先進制造中心自立項目研制下肢助力外骨骼，不斷改進、完善，并將樣機投入醫(yī)院進一步測試、試用。如今，下肢外骨骼助行機器人已處于初步的應用階段

助老助殘樣機

（圖片來源：作者）

這種外骨骼是一個有源系統(tǒng)，控制系統(tǒng)基于一體化設計思路，建立基于CAN總線（一種用于實時應用的串行通訊協議總線，可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應用最廣泛的現場總線之一）的外骨骼機器人分布式控制系統(tǒng)架構，實現機器人高效、可靠的控制。該設備通過電機驅動產生所需助力，比如髖關節(jié)邁不出、膝關節(jié)無力，經過計算電機輸出合適的助力。

驅動單元置于外骨骼系統(tǒng)中，外骨骼的機械設計同樣基于一體化架構和模塊化設計思想，助殘和助老兩類機器人總體架構一致，只是在髖關節(jié)與踝關節(jié)的自由度配置有所不同。

當機器人用于助力時，其髖關節(jié)和踝關節(jié)與人體自由度配置一致，髖關節(jié)除了主動自由度之外，還有2個被動自由度，腳踝也配置了2個被動自由度；當機器人用于助殘時，殘疾患者的髖關節(jié)和踝關節(jié)已喪失了主動驅動能力，因此，取消髖關節(jié)和踝關節(jié)的被動自由度。

下圖中為大家更直觀地展示了兩類機器人的穿戴示意、總體虛擬樣機及髖踝關節(jié)的虛擬樣機。

助老（助殘）機器人虛擬樣圖

（圖片來源：該研究項目組）

整個機器人分為左腿外骨骼、右腿外骨骼、后背架、胸部束帶、控制器、電源及背包等多個模塊，模塊間設計有快速拆裝接口，可實現外骨骼系統(tǒng)的快速穿上及脫下，同時在運輸過程中通過折疊可有效減小占用空間。

由于下肢外骨骼助行機器人需要與人體協調運動，外骨骼機器人與穿戴者構成一個人機系統(tǒng)。為了達到協調運動的目的，除了準確的意圖識別，還必須構建有效的交互通道、控制環(huán)路與控制算法，才能實現人機運動的協調統(tǒng)一。

人機協調控制系統(tǒng)架構如下圖所示，人機內部作用機制可由意圖識別和機器人運動輸出兩個交互通道進行闡釋。通過這兩個交互通道，人體的運動意圖由機器人準確實時獲取，機器人按照設計的控制作用于人體，進而達到人機交互作用的協調統(tǒng)一。

人機協調控制系統(tǒng)架構圖

（圖片來源：作者）

結語

隨著我國科學技術力量的不斷提升，在電機、諧波減速機、伺服驅動器、扭矩傳感器等關鍵部件有了重大突破，為自主研發(fā)下肢助行機器人提供了有力的基礎保障。在科研人員潛心研究、集智攻關、團結協作下，相信在不久的將來，肢體殘疾或腿腳不便的人群也可以“健步如飛”！