利用机器人控制理论改进了假肢

在发表于IEEE机器人汇刊，佩戴这种机器腿的人在跑步机上行走的速度几乎和健全的人一样快。

“我们借鉴了机器人控制理论，创造了一种简单、有效的新方法来分析人类的步态周期，”埃里克·琼森工程与计算机科学学院的教员、该论文的主要作者罗伯特·格雷格博士说。“我们的方法为截肢者提供了一种控制动力假肢的方法，帮助他们比现有的假肢更稳定、更自然地移动。”

据该大学称，人形机器人可以自主地走、跑、跳和爬楼梯，但现代假肢限制了人类的类似动作。虽然假肢已经变得更轻、更灵活，但它们无法模仿健全人体肌肉产生的力量。动力假肢，或机器腿，有马达来产生力量，但缺乏智能来稳定地对干扰或变化的地形做出反应。

控制工程师通过研究行走周期中每个动作需要发生的时间间隔来查看人类的步态周期。Gregg是生物工程和机械工程的助理教授，他提出了一种观察和研究人类行走过程的新方法，即通过测量代表身体运动的单个变量。在这项研究中，这个变量是脚上的压力中心，它在步态周期中从脚跟移动到脚趾。

格雷格在一份声明中说:“步态周期是一个复杂的现象，有很多关节和肌肉在一起工作。”“我们使用高级数学定理将整个步态周期简化为一个变量。如果你测量了这个变量，你就确切地知道你在步态周期中的位置，以及你应该做什么。”

格雷格首先在计算机模型上测试了他的理论，然后在西北大学附属的芝加哥康复研究所对三名膝盖以上截肢者进行了测试。他用传感器测量动力假肢上的压力中心来实现他的算法。在他的算法中只输入用户的身高、体重和剩余大腿的尺寸，在大约15分钟内为每个受试者配置好假肢。然后，受试者在地面上行走，在跑步机上以越来越快的速度移动。

“我们没有告诉假肢跑步机的速度在增加。“假肢的反应就像生物腿一样自然，”格雷格说。

参与者能够以每秒1米以上的速度移动;格雷格说，完全健全的人的典型行走速度约为每秒1.3米。参与者还报告说，与使用传统假肢相比，他们消耗的能量更少。

格雷格说，目前的动力假肢设备需要一个身体康复专家团队花费大量的时间来调整数百个旋环，并根据佩戴者的不同训练每条动力腿。

他说:“我们的方法将多种操作模式统一为一种，并产生了可以在未来帮助人们的技术。”这一点以及参与者的反馈都非常有价值。”

格雷格说，研究的下一步将是使用时间范式和压力中心范式来比较机器腿的实验结果。

来自芝加哥康复研究所、西北大学和新不伦瑞克大学的研究人员也参与了这项研究。