自主儿童外骨骼迈出第一步
医疗机器人推进儿童物理治疗
曾几何时，法国北部 INJENO 协会的主席 Luc Masson 一直梦想着他九岁的女儿有朝一日能够行走。他的女儿 Inès 患有多种影响运动技能的神经疾病，包括癫痫。她平时使用带头枕的轮椅，需要他人协助才能在附近移动。
2010 年，Masson 接触了 JUNIA HEI 科学与工程研究生院 Laurent Peyrodie 的机器人和机电一体化小组，该研究生院隶属于里尔天主教大学。他设想出一种自主下肢外骨骼，可供儿科临床医生用作物理治疗工具。这款设备同样也为像他女儿这样的儿童带来了福音，让他们有机会以新的方式体验这个世界。
Peyrodie 还是里尔生物医学信号处理部门的负责人。他回忆道，“Luc 非常热情，且富有同情心。他问过‘你能为我们做点什么’的问题。带着这个问题，我们和这所大学的学生们开始展开了几项不同研究”。Peyrodie 聘请了博士后研究员 Zhang Yang 领导机械和电子方面的开发工作。
一位同事正穿戴着外骨骼原型行走。（视频所有权：JUNIA HEI）
JUNIA HEI 助行项目汇聚了技术人员、机械和生物医学工程师以及医疗保健专业人士，旨在为患有严重神经障碍的儿童打造机械化的矫形器。这个项目吸引了十余个商业、非营利和学术合作伙伴的加盟，并通过一项欧洲计划募得了 740 万欧元（约合 720 万美元）的研究资金。
Peyrodie 和 Zhang Yang 使用 3D 打印部件、低振动直流电机和嵌入式传感器创建了原型。他们还使用 MATLAB®、Simulink® 和 Simscape Multibody™ 建立了电机动力学模型并设计了电机控制器，从而加快了开发速度。为了在原型硬件上进行高效的实时测试，该团队与 MathWorks 的合作伙伴 Speedgoat 进行了合作。
最近，参与该项目一位身材娇小的女同事试用最新原型体验了行走。在接下来的几个月里，该团队计划寻求批准在儿童身上测试外骨骼。
迈出第一步
该助行项目引用了瑞典的一项研究。该研究发现，瑞典有 30% 的脑瘫 (CP) 儿童到五岁了还不会走路。另有 16% 的儿童需要辅助设备才能行走。根据这些统计数据，该项目团队估计，外骨骼技术可能会使欧洲 6,500 名 10 岁以下的儿童受益。脑瘫儿童只是冰山一角。患有影响腿部运动的其他疾病的儿童还有很多。
“我们需要找到一种方法，只需几个人在很短的时间内就能构建原型。”
尽管存在这种医疗保健需求，但人们仍倾向于将外骨骼视为成年人用的装备，例如科幻电影《钢铁侠》里的战甲或现实世界中用来防止受伤的装备。在美国本土，美国陆军开发了承重力高达 91 公斤（200 磅）的人类通用型负重外骨骼 (HULC)，并计划于明年将一种灵活轻便的新型外骨骼投入战场使用。
如果制造一种获准用于患有多种疾病的儿童（包括许多有交流障碍的儿童）的医用外骨骼，则需要进行全面的临床安全性评估。“在临床环境中，对儿童进行结构测试极其困难，因为我们必须证明他们不会面临任何风险或危险，”Peyrodie 说道。
他还说道，获得委员会的伦理批准是至关重要的一步。此后，医疗设备制造商必须历经欧洲药品管理局的漫长评估过程，才能在产品上粘贴 Conformité Européenne (CE) 标志。
在儿童下肢外骨骼开发中，面临的另一项挑战是价格。当时的想法是，儿童长得很快，需要不同系统，这会使成本成倍增加。因此，该助行项目的独特系统经过精心设计，能够根据儿童身高体重的变化进行调整。
JUNIA HEI 助行项目面向 8 至 12 岁患有多种疾病的儿童，包括下肢截瘫儿童。外骨骼必须是一种可调节的结构，才能适应身高不同且体重不超过 50 公斤（110 磅）的穿戴者。
“这是一个相当复杂的项目，”Peyrodie 说道。“它就好像一家初创企业：我们需要找到一种方法，只需几个人在很短的时间内就能构建原型。”
Interreg 2 Seas 是一项欧洲领土合作计划，覆盖由英吉利海峡和北海连接的地区。该计划在 2014 年至 2020 年间投资了多个可持续和包容性的跨境合作项目，并于 2019 年批准了对该助行项目的资助。受新冠疫情的影响，原定的项目时间表稍有延迟，但该团队仍需快马加鞭地进行原型开发。
合二为一，自由行走
为了实现仿生重塑行走运动，需要构建一款精密的机器人系统。该系统必须非常稳健，足以让儿童及其看护者完全信任它的自主功能。这款医疗设备还必须足够简单，便于临床医生安全使用。
最初，研究人员尝试用 C++ 设计外骨骼，但手动编码过程缓慢而冗长。“我们无法在设定的项目时间内完成任务，”Peyrodie 回忆道。“为了解决这个问题，我们在比利时鲁汶大学的项目合作伙伴将 MATLAB 和 Simulink 与 Speedgoat® 结合使用，从而节省了时间。”
于是，双方转而使用 MATLAB 和 Simulink 进行了基于模型的设计。“MATLAB 可完成海量计算。你只需点击函数名称，就可以直接得到计算结果，”Zhang Yang 说道。“如果用 C++ 进行设计，你需要输入大量代码，才能实现一项功能。使用 MATLAB 和 Simulink 进行基于模型的设计确实帮我们节省了时间。”
“使用 MATLAB 和 Simulink 进行基于模型的设计帮我们节省了时间。”
JUNIA 外骨骼模型。（视频所有权：JUNIA HEI）
用 3D 打印部件构建的早期外骨骼原型。（图片所有权：JUNIA HEI）
借助 Simscape Multibody，他们用儿童大小的人体模型构建了外骨骼电机的动态模型，并在仿真环境中应用了未来场景。这样，他们便能了解其外骨骼电机所需的参数，从而缩小参数的候选范围。Peyrodie 和 Zhang Yang 最终选择了 Maxon 无刷电机，这在很大程度上是因为该公司的驱动器通过控制器局域网 (CAN) 工业协议进行通信，并能够与实时开放网络 EtherCAT 顺利集成。
如果从一开始就对外骨骼金属部件进行计算机数控加工，研究人员就无法随时进行更改。为此，该团队改为通过网络商城订购定制的 3D 打印部件。他们先从订购小型早期原型所需的塑料部件入手。在弄清楚所要使用的电机后，该团队就有信心向全尺寸的金属组件过渡了。
研究人员在每个脚踏板中都安装了压力传感器和一个 CAN 总线，以及惯性测量单元 (IMU)。外骨骼的背部也有一个 IMU，使该团队可以测量步态。该外骨骼总共有六个作动自由度，其运动范围受机械的限制。
如果没有链接电机和传感器的高效通信系统，自主外骨骼就无法正常工作。“我们发现，Simulink Real-Time™ 是最好的选择，因为无论你需要哪种模型或控制算法，都可以将其设计出来并快速应用于你的原型，”Zhang Yang 说道。“它还使用了高速工业通信协议。”
总部位于瑞士的 Speedgoat 致力于生产与 MATLAB 和 Simulink 兼容的测试系统，包括实时目标机。该目标机非常小，足以让 Peyrodie 和 Zhang Yang 将其嵌入到原型中，并通过网线连接到计算机。Speedgoat 的系统还能兼容 Maxon 电机驱动器，因此，该团队可以快速地对其控制设计进行仿真和测试。
新冠疫情初期，出入大学校园受到限制。虽然面对面的工作被迫中止，但研究人员能够远程完成一些仿真和设计。“我们的开发工作仍在进行中，”Zhang Yang 说道。“原型需要不断地进行微小的调整和修改才能日臻完善。”
探索新领域
外骨骼包含一个传感系统，其中包括惯性测量单元、关节编码器（用于控制角度），以及地面反作用力传感器。外骨骼的每只脚上都有四个传感器，用于检测人脚的踩踏位置，这对于保持平衡至关重要。
MATLAB 和 Simulink 使他们的原型设计总时间减少了一半。
“我们针对重量转移开发了一种控制算法。这种控制算法让外骨骼在开始迈步前可将重量转移到前脚，然后轻松地抬起无负重的后脚自动向前移动，”Zhang Yang 说道。“因为每只脚上都有传感器，所以，我们知道是否发生了重量转移。如果重量转移成功，这就会自动触发迈出下一步。”未来，我们计划开发另一种控制算法，使外骨骼可以根据需要增加步幅，从而提高稳定性。
自动步进并未包含在原始设定中，但与该项目团队协作的临床医生指出，人类通常不会在迈步之间完全停止。Peyrodie 说道，传感器和 MATLAB 使得集成该自动化方法比尝试自己编码容易得多。
JUNIA 自主儿童外骨骼。（图片所有权：JUNIA HEI）
JUNIA 自主儿童外骨骼。（图片所有权：JUNIA HEI）
JUNIA 自主儿童外骨骼。（图片所有权：JUNIA HEI）
JUNIA 自主儿童外骨骼。（图片所有权：JUNIA HEI）
“如果我们使用 C++ 或 C# 进行开发，那么将需要编码系统方面的专家，”Peyrodie 说道。Zhang Yang 也认为，MATLAB 和 Simulink 使他们的原型设计总时间预计减少了一半。
Peyrodie 和 Zhang Yang 还使用 MATLAB App 设计工具创建了用户界面，使临床医生及合作伙伴能够测试外骨骼。医疗保健专业人士的反馈至关重要，尤其是考虑到各国采用不同的康复方法。Peyrodie 指出，法国的理疗师青睐周期性肢体次激，而波兰的理疗师则强调日常锻炼。但许多医疗保健专业人士根本没有足够多的数据用来提供康复指导。
助力行走，愉悦身心
新的研究成果可能将要浮出水面。作为该助行项目在比利时的合作伙伴，Centexbel 正在开发一款嵌入传感器的智能 T 恤，这些传感器可用于测量体温、心率和行动范围。而其他合作伙伴正在开发检测压力水平的信号处理技术和显示数据的图形用户界面。令人欣慰的是，这件 T 恤穿起来肯定不会像传统电极那样扎眼。
“我们希望将它用于康复训练，让儿童可以再次行走或恢复行走能力。”
“我们需要能够评估儿童在使用我们的外骨骼行走时的压力水平，因为这是决定是否会采用此类系统的主要因素，”Peyrodie 说道。
他们研发的外骨骼已通过电气测试，并准备接受荷兰一家康复中心的评估，因为该中心的临床医生拥有利用机器人治疗成年人的经验。获得伦理批准尚需时日，但 Peyrodie 表示，这一阶段对于展示此系统的效率和安全性非常重要。如果一切顺利的话，今年冬天将启动对儿童进行的临床试验。
由此可见，该团队从未忘记 Luc Masson 的热切恳求。
未来，该项目团队认为外骨骼将发挥两方面的作用。“我们希望将它用于康复训练，让儿童可以再次行走或恢复行走能力，”Zhang Yang 说道。另一方面，我们也希望它发挥出更感性的作用。“如果能从心理上感知行走的感觉，这可能会让像 Inès 那样的患者感到快乐。”
