技术辅助系统：高科技与运动相结合

2024 年半机械人奥运会即将来临，参赛新秀—柏林工业大学RISE 团队正全力以赴完成其截瘫患者外骨骼的定型工作：最新进展、挑战以及与合作伙伴的合作情况。

通常，曲棍球运动员在瑞士苏黎世州克洛腾的瑞士竞技场（Swiss Arena）的冰面上追逐冰球。但从 10 月 25 日至 27 日，这里将再次变身为技术创新中心：2024 年半机械人奥运会（Cybathlon 2024）即将举行。

在苏黎世联邦理工学院组织的这次国际比赛中，肢体残疾人将在高科技辅助系统的支持下，参加与日常生活相关的项目比赛。今年有来自世界各地的 77 支队伍报名参赛。柏林工业大学（TU）的 RISE（学生外骨骼开发研究与创新）团队将首次携带外骨骼参赛。

140 名学生参与外骨骼比赛

"参加电子竞技大赛一直是我们的梦想！2022 年 10 月，我们与学生倡议'社会参与工程师'一起，在柏林工业大学推出了 RISE 这一实践单元，目的是让脊髓损伤患者能够站起来行走，" 柏林工业大学机械设计与系统工程研究所医疗技术系的团队领导和研究助理——卢卡斯-施奈德温德（Lukas Schneidewind）如是说道。

共有 140 名学生在四个学期里满怀热情地投入到机器人外骨骼的开发和制造中。大部分成员来自机械工程、电气工程、电子以及控制工程和模拟等工程学科。不过，他们也需要非技术知识：从生物力学到用户界面和用户体验、设计、心理方面、赞助获取和公共关系。

"跨学科工作令人受益匪浅

RISE 团队共同负责人、柏林工业大学人因学硕士生马格努斯-迈耶（Magnus Meyer）说："项目研讨会让我们走出大学高度集中的教学环境，以跨学科的方式开展工作--就像我们以后的职业生涯一样。

跨学科思维与外骨骼相关的另一个原因是：毕竟人与机器是直接相连的。迈耶认为，机器与参赛选手的交互是一大亮点，因为团队可以直接获得有关其开发的用户友好性和实用性的反馈。

直接的人机交互

在与企业和行业潜在合作伙伴的讨论中，学生们很快意识到外骨骼应用领域的多样性。"马格努斯-迈耶说："许多人通常把外骨骼与简化工作联系在一起，例如，外骨骼可以减轻生产线上员工的背部负担，并跟随使用者的动作移动。

迈耶接着说："然而，在我们的案例中，它不仅提供缓解功能，而且作为一种动力矫形器，它完全替代了腿部的肌肉力量（髋关节、膝关节和踝关节肌肉），并引导肢体进行符合人体工程学的运动"。卢卡斯-施奈德温德补充说："事实上，这种用于活动截瘫患者系统的技术要求与其他系统有很大不同，这在过去和现在都是一项重大的交互挑战"。

RISE 团队面临的另一个挑战是根据培训课程的结果不断更新系统中适当的技术要求。为了以最佳方式再现外骨骼的自然行走动作，并能在行走时控制重心，需要适当扁平的齿轮和电机，并紧贴身体。

对技术的特殊要求

因此，学生们在髋关节和膝关节上安装了 maxon 65 mm和 85 mm的 EC frameless DT 电机。采用内转子技术的无刷直流电机套件是专为所谓的机器人关节（即机器人应用中的关节）而开发的。

它们特别强大、坚固和紧凑。"maxon 区域销售经理 Falko Simon 说："我们提供的这些新型电机不带滚珠轴承；用户可自行存储转子和定子单元。他补充说："该驱动装置还可实现高达 300 Nm的高扭矩，这是人在短时间内下跪或爬高台阶时所需要的。这使得它非常适合在 Cybathlon竞赛 中使用"。

另一个特点是，maxon 电机和Nabtesco欧洲子公司 Ovalo 制造商生产的变速箱是一个整体。Falko Simon 说："变速箱采用所谓的薄饼形状，我们将 DT 驱动器集成到变速箱中。整个产品实际上是一个整体，这意味着我们创造了一个非常扁平的单元。Lukas Schneidewind 说："得益于开放和协作的氛围，我们在短短几周内就找到了实用的解决方案。Falko Simon 补充说：" 作为工业合作伙伴，学生们也非常渴望了解我们的专业知识，这很有趣。

未来前景：无拐杖外骨骼

目前，学生们正处于实施软件和调整个人运动模式的最后阶段，然后将与两名参赛选手一起开始半机械人奥运会的最终训练。展望未来，团队负责人施奈德风已经有了具体的目标："我们现在已经有了初步的基础，但从长远来看，我们肯定还可以缩小尺寸。外骨骼目前重约 80 公斤，是一个非常沉重的系统，但它可以轻松地爬上很高的台阶。如果不紧紧抓住拐杖，现有系统就无法做到这一点。没有拐杖也能工作是我们的大目标"。

但现在，该团队期待着半机械人奥运会的到来。"如果我们能完成其中的一些任务，我们就已经取得了巨大的成功--而且我们团队是在两年之内完成，而其他团队已经做了十多年了。“

图片版权： Christian Kielmann