为下肢外骨骼设计坐立动作

密歇根大学(University of Michigan)研究人员开发了一种方法，可以虚拟地创建和测试这些问题的解决方案。根据这项研究，Exoskeleton用户现在可以在不需要辅助的情况下安全地从坐着变成站着。

机械工程博士研究生Eva Mungai说:“我们现在有了一种方法，可以系统地为高度约束的系统设计控制目标，这样这些目标就不会与接触约束冲突。”

您可以在此处阅读研究人员的论文：“三维下肢外骨骼稳健舒适坐立运动反馈控制设计”。

由于三维空间的复杂性，关于坐立动作的类似研究通常采用简化的模型。Mungai的研究集中在矢状面，即坐立问题的X轴上，而Mungai的研究则结合了矢状面、额面和横面，即X轴、Y轴和z轴。

“虽然计算线性系统的稳定性比较容易，但分析三维非线性系统却相当困难，”Mungai说，他的顾问是密歇根大学机器人研究所的电子和计算机工程教授Jessy Grizzle。

增加问题的复杂性是需要同时保证外骨骼用户的安全和舒适。为了解决这个问题的复杂性，Mungai和Grizzle将问题分为三个挑战:

• 在3D建模外骨骼
• 创造坐到站的动作
• 执行和测试动作，以确保系统实时运行，以满足目标，同时保持用户舒适和安全。

WandercraftMungai提供了通用的机器人描述文件，用于建模和生成从椅子到站立和从椅子到蹲下到站立的动作，然后可以进行测试。

大多数外骨骼在没有外界帮助的情况下无法支持坐立动作。据密歇根大学的研究人员称，市场上只有两种免提外骨骼:REX Bionics公司的REX和Atalante。这篇论文的重点是亚特兰大，因为详细的模型与作者共享。此外，因为Atalante已经明确设计为动态行走，寻找动态站立轨迹是有趣的，可以在最小的用户帮助下实现，没有其他帮助，甚至根本没有用户帮助。

静态位置运动需要中间姿势在整个运动中稳定，而动态运动是指连续的轨迹，如动态行走步态，不保证在中间时间点的稳定性。即使静态运动的“固有稳定性”看起来比动态运动更加理想，轨迹所需的严重约束通常与硬件限制（例如，关节扭矩限制）不兼容。来自用户的外力，通过向下推动椅子，拐杖或FES [12]的武器，已被用于实现辅助的静坐运动。允许用户应用外力可以增强运动的稳定性以及对运动中的用户置信度。

“为了找到满足用户安全性和舒适性的exoSkeleton +用户系统的运行范围，我们根据系统可能遇到的各种情况，椅子高度，不对称扭矩输出或不对称扭矩输出等各种情况进行了鲁棒性测试。没有用户没有辅助力量。这些稳健性测试还帮助我们分析了两个坐在站立的运动。“

确保系统成功完成其任务，同时仍然在其许多限制内操作，例如用户安全性，是可以跨机器人应用的概念。一个明显的应用是双面机器人，在那里他们必须在保持平衡并与外力接触的同时选择目标。

这项工作的一个重要步骤是关注舒适度。

Mungai说:“量化用户舒适度真的很难，但这非常重要，而这仅仅是个开始。”

编者按:本文已重新发布密歇根大学．