视频赏析

内容摘要

本文介绍了针对老年人的全身辅助外骨骼（AXO-SUIT）的设计与性能的初步评估。AXO-SUIT 是一个由独立的上半身和下半身模块化外骨骼组成的系统，它们可以组合成一个全身系统并根据需要提供灵活的身体协助。全身外骨骼系统包括27个自由度（dof)，其中17个是被动的，10个是主动的。它可以帮助人们完成行走、站立、搬运和装卸等任务。在整个外骨骼的开发过程中采用了以用户为中心的设计方法。本文描述了AXO-SUIT 的设计过程，包括对用户需求的分析、运动学和动力学运动研究以及创新的系统设计。研发的系统已经在挑选的终端用户进行了测试，涵盖不同级别的性能和可用性评估。终端用户测试结果显示，外骨骼可以提供有效灵活的身体协助。

图文导读

文章介绍了AXO-SUIT 外骨骼的设计和测试，详细描述了用户参数、概念设计以及终端用户测试的情况。首先利用来自Anybody模型库的MoCap FullBody模型作为人体模型的基础，从每个模拟任务中生成一系列全面的生物力学输出数据，如个体肌力、关节接触力、新陈代谢等，这些数据用于告知AXO-SUIT上半身和下半身子系统主要关节的活动范围和扭矩要求。建立的全身运动模型如图1所示。  

图1 行走并进行有效载荷任务的运动学模拟

在本部分研究中，我们关注的是获取人体主要上肢和下肢关节的关节位置数据和关节力矩或扭矩数据。图2展示了其中一个运动研究结果，从图中可以观察到步行时髋关节和膝关节的运动幅度最大，与从坐姿到站立时的运动幅度相似（或小于）。另一方面，在矢状面即髋关节屈曲/伸展、踝关节跖屈/背曲面，右（主要）髋关节和踝关节的关节力矩范围最大。

图2 步行时负重的运动研究

AXO-SUIT 的设计目的是在关节层面提供辅助性物理协助力量。为了使AXO-SUIT 有效、灵活、可靠，整体系统采用了模块化设计方法：该系统由两个子系统组成，即下半身（LB-AXO）和上半身（UB-AXO）系统，每个子系统都能够独立工作，根据需求提供帮助。此外，每个子系统都有多个模块，可以实现联合级协助。AXO-SUIT 外骨骼如图3所示。

图3 AXO-SUIT外骨骼设计模型与样机

AXO-SUIT 的辅助控制策略分高级控制和低级控制两个层次实施：高级控制基于人类意图检测，它识别用户的运动意图，并提供理想的辅助扭矩；低级控制是一种关节级控制，用于在外骨骼的受驱动关节处形成基于导纳的辅助扭矩控制 。系统的辅助策略可参考图4。

图4 AXO-SUIT控制框图

此项工作主要致力于最终用户的测试，这对人机系统开发非常重要。在测试中，不仅收集了客观测量（相关肌肉群的肌电图），还收集了主观意见（用户劳累程度、舒适度和总体用户体验的评分），后者提供了反映系统可用性和用户接受度的非常有价值的信息，这在其他外骨骼测试中经常被忽略，也是这项工作的一个主要贡献。

AXO-SUIT 项目是由欧盟AAL联合计划资助的，曾在2020年2月份入选AAL的最佳研究项目。

【作者信息】

Shaoping Bai^a,*, M.R. Islam^a, Valerie Power^b, Leonard OŚullivan^b

a Department of Materials and Production, Aalborg University, Aalborg 9220, Denmark

b School of Design, Health Research Institute and CONFIRM Smart Manufacturing Centre, University of Limerick, Ireland

* Corresponding author. E-mail address: shb@mp.aau.dk (S. Bai)

【DOI】

https://doi.org/10.1016/j.birob.2021.100032

【全文链接】