麻省理工学院仿生假肢博士后

麻省理工学院34岁的博士后杨兴邦的生活特别艰难。他出生在黑龙江省绥化市，那里的年平均气温只有3.3摄氏度。他毕业于北京航空航天大学，获得本科和博士学位。现在是一个父亲，他谈到了他在2021年夏天完成博士学业后将去哪里。答案只有四个字:回国教书。

而且他的研究领域也很辛苦——康复辅助医学。发表了一篇名为《可实现跖屈-背屈双向运动辅助的线缆驱动便携式踝关节外骨骼》的论文。

本文介绍了一种便携式线缆驱动脚踝外骨骼(以下简称“外骨骼”)。他说，这种装置主要是针对脚踝功能没有完全受损的足下垂患者，目的是通过机械训练来恢复他们的健康。

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。

杨兴帮由于中风、脊髓损伤或外伤，足下垂患者的脚趾会不由自主地往下拽，稍不注意就会走路摔倒，从而造成关节损伤。外骨骼具有双向运动辅助功能，可以通过主动控制拉起患者的脚趾，从而保证正常行走。杨兴邦

可携带线缆驱动的踩关节外骨骼一种可携带线缆驱动的踩踏外骨骼

杨兴邦表示，外骨骼的目标是让使用者在穿戴后，能够获得行走所需的关节力矩(力作用于物体时产生的旋转效应的物理量)，同时提供正常的矫正步态。理论上，病人可以正常行走，不需要任何努力。

外骨骼重7kg，主要由脚踝外骨骼、动力输出模块、线缆传输系统、传感和控制模块四部分组成。

第一部分是脚踝外骨骼，是外骨骼的主要执行部分。主要作用在脚上，上部连接一些管件，是电缆传递动力的通道，可以保护下肢。

第二部分是动力输出模块，包含22.2V锂电池，容量5300mAh

第三部分是拉索传动系统，负责将电机的动力传递到末端，为脚踝运动提供动力，并能起到辅助换向的作用；

第四部分是传感与控制模块，主要通过足底压力传感器和IMU(一种惯性测量单元)实现实时步态识别，通过控制系统根据脚踝输出力矩的规律提供仿生力矩，辅助患者运动。

工作时，主要涉及以下几个步骤:首先，线缆会将动力从系在腰部的电机传递到脚的踝关节；其次，步态信息的采集和识别。该设备通过足底压力传感器与IMU结合采集行走信息，通过数据融合实现行走步态的实时识别。然后，控制模块对信息进行处理和分析，预测步态，并根据实时步态的具体时刻，提供与脚踝力矩相同的辅助力矩，使设备力矩的输出与人体步态实时结合，达到更好的人机兼容性。

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。

脚踩外骨骼（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例如，用户在某个步态时刻所需的脚踝力矩可以根据自己的需求和脚踝力矩数据来设定。此外，外骨骼可以根据行走步态实时改变助力曲线的轮廓，还可以通过历史步态规则实时预测当前步态。脚踏板外骨骼概述(A)、动力输出模块概述(B)和电缆传输系统膝部模块详细示意图(C)

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）的放置足部压力传感器(A)的脚趾、前足和足跟的测量单位以及IMU的位置(b)

外骨骼在矢状面上踩关节运动的受力和运动分析外骨骼踩在关节上的矢状面受力和运动分析

双向运动设计+腰重索系统，更方便用户佩戴。

相比此前多数同类设备，外骨骼可实珊双向运动辅助。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。

背屈和跖屈与之前大多数同类设备相比，外骨骼可以作为双向运动辅助工具。人体脚踝的双向运动是指脚踝可以向两个方向运动，脚通常可以向上或向下转动。向上翻叫背屈，向下翻叫跖屈。背屈和跖屈

之前也有一些设备可以用于双向运动辅助，但是设备一般都比较笨重，因为大部分都是在末端也就是脚踝附近加载电机来驱动，这样末端的附加惯性矩会比较大，用户要花费更多的力气，设备在末端的控制精度也会打折扣。

基于此，团队提出了线缆驱动方案，通过脚跟和前脚掌四根线缆提供动力，配合齿轮滑动旋转结构和运动控制，实现踝关节跖屈和背屈的双向运动。优点在于，主体质量可以集中在本体的近端，而本体远端的质量可以减少，从而减少了附加惯性矩，更轻，穿着更舒适。

双向运动辅助的好处是可以提高脚踝辅助力量。其原理是，人的脚在行走时，虽然肌肉确实主要在足底屈曲阶段工作，但在脚离地摆动过程中也会有背屈运动。如果加上一个辅助力，人就可以更加省力。

值得一提的是，外骨骼的主要动力部件集中在腰部，辅助力通过线缆传动系统传递给脚步。这样做的好处是减轻了车身下端的重量，因为车身下端的重量越大，附加惯性矩就越大，穿起来就越不舒服。

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。

测量前脚拉索角θf、后跟拉索角θh和脚踩旋转角θa比如有的运动员在腿部或腰部佩戴沙袋训练腿部肌肉，就是为了增加末端负荷，增加肌肉训练强度。端部负载越大，力臂越长，驱动负载所需的扭矩也越大。但是对于正常人来说，这个扭矩其实是多余的，会增加佩戴者的能量消耗。测量前脚拉线角度θf、脚跟拉线角度θh和踏板旋转角度θ a。

从人体功效设计的角度来看，如果重量放在人体近端，远端少一些，脚受到的外力(惯性力)就会小一些，抬脚就容易一些。所以，减少多余转动惯量就是减少人体做的无用功。从外骨骼的角度来说，也可以降低外骨骼的功耗，提高控制效率和精度。总之，如果不想让用户自己克服，就需要机器去克服。

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。