运动控制为残疾人提供了很大的帮助。

身体健全的人平均每天走3000-4000步。对许多残疾人来说，这种灵活性正是他们所失去的。在全球范围内，工程师们都在使用运动控制来帮助他们恢复机动性。例如，活跃的假肢让被截肢者能够更自然、更轻松地移动，而机器人轮椅则为上半身和下半身的活动提供了增强的前景。对残疾人来说，机电技术提供了更强的安全性、独立性和生活质量。

然而，从工程的角度来看，建造这些类型的设备存在一系列的挑战。生物系统有一种方法能让复杂得离谱的问题变得简单。机动性解决方案的设计者必须克服诸如热管理、噪音控制、微小的外形因素、极其复杂的控制问题，以及最重要的，严格的安全要求等问题。让我们仔细看看这两组人是如何克服这些挑战的。

踩到它
据最新统计，大约每150个美国人中就有一个人的主要肢体被截肢。最早的义肢只是提供支撑的木制模型。后面的迭代使用铰链来简化行走过程。生物集团由休·赫尔的麻省理工学院的媒体实验室已经开发出一种先进的动力Ankle-Foot假肢,增加能源跨步,极大地提高效率和改善下肢截肢患者的爬楼梯,斜坡,例如(参见图1)。

在迈步的过程中，下半身可以被认为是一系列连锁的生物弹簧和钟摆，在这个过程中将能量从一个关节传递到下一个关节，从而产生高效的步幅。的脚踝,一系列弹簧储存能量聚集在脚跟冲击部分的步幅和释放它在接下来的步骤中,增强权力从一个伺服电机(见图2)。这个弹簧式组合,团队成员和研究生研究员格兰特艾略特是指一系列弹性传动装置、就像弹射器一样，让他们可以用更小、更低平均功率的设备取代高脉冲功率的发动机。这种方法降低了成本和尺寸，同时延长了电池寿命。

在工程领域，你永远不会不劳而获。在设计中加入弹簧的好处是，它提出了一个非常复杂的控制挑战。该小组开发了一种基于虚拟阻抗的控制架构。埃利奥特说:“我们认为电机是一个动态弹簧，不需要遵循零净能量。”“回路中的阻抗可以改变，从而产生可调节的能量贡献。在跑步等步态中，当你在脚上滚动时，我们会在两个阻抗之间快速过渡一步。”

在一定程度上，所涉及的时间尺度减轻了控制问题的挑战。例如，走路的频率是几赫兹。Elliott说道:“如果你的控制器的输出带宽是100或200赫兹，你可能就没问题了。“这真的意味着，你看到的是运行在1千赫的反馈回路。”该实验室大多数假体设备上使用的微控制器的速度为16mhz，这为意外问题留下了计算缓冲。

由于问题的性质，该团队避免使用智能组件，而倾向于使用由微处理器和复杂软件支持的标准组件。Elliott说道:“在原型制作阶段，我发现用‘愚蠢’的部分来做所有事情要容易得多，这样你就能知道发生了什么。“我已经记不清有多少次，我看着几乎任何一种专用的运动控制芯片，然后说，‘天哪，这似乎会让我的生活更简单，’但我们的问题是如此复杂，几乎更容易自己做。”powerankle的控制器由三个0.5英寸的堆叠组成。x那。板和一个30毫米直径，68毫米长带集成编码器的无刷电机在踝关节处的峰值输出扭矩接近200Nm。

如果可能的话，由假体应用施加的约束甚至比那些由普通医疗器械市场．即使是像轴承这样看似简单的东西也可能成为一件引人注目的事。工业轴承可以处理一个非常可观的串联负载,但人使用的膝盖和脚踝假肢可以申请离轴加载(参见图3)。在运行的步骤中,瞬时加载轴承在膝盖上,例如,可能是四到六倍的均方根值。由于体型因素的限制，肌肉不一定能提供答案。

假体的大小可以决定它是否有用。例如，动力脚踝必须足够短，以便大多数截肢者能够使用。这似乎是争论的方向，以水平，但这里也，形式因素发挥作用。埃利奥特说:“如果你把马达水平放置，就会得到比人脚更厚的东西，这不是问题，直到你穿上正装鞋。”和大多数工程一样，这个过程涉及一系列的权衡，以开发出对大多数人最有用的假肢。“垂直放置马达会让设备更高一些，不幸的是，这意味着某些截肢率很低的人将无法使用它。”

可听见的噪音是另一个问题。对于每一个不介意听起来像终结者的年轻的髋部截肢者来说，都有另一个人希望假肢在外观和操作上尽可能地像人类的肢体，这意味着要尽量减少随动的哀鸣。该团队开始使用标准技术，如调整伺服电机和控制回路。对于执行器，他们转向了一种更奇特的解决方案——一种定制的滚珠丝杠，具有最小化振动的安装点和一个填充了阻尼材料的空心钛丝杠。

最新一代的电动踝关节实际上比它将要替代的人的脚轻，而且设计成每天可以行走4000步。这项技术已经被iWalk作为PowerFoot One商业化;更多信息请访问他们的网站。

帮他们一把
当然，机动性只是战斗的一半。在发生创伤性脊髓损伤、中风或使人衰弱的疾病的情况下，人们的手、胳膊和腿的功能都会受损。在人类工程研究实验室(HERL)，一个由退伍军人事务部高级职业科学家和匹兹堡大学教授Rory Cooper领导的团队开发了个人移动和操作器具(PerMMA)。PerMMA本质上是一个带有机械手臂的电动轮椅(见图4)。坐在这个设备中，人们可以移动到他们选择的位置，并使用手臂做任何事情，从商店货架上挑选物品到在浴室里挂毛巾。手臂附在轮椅后面的车厢上，座椅可以向上移动多达1英尺。

解决控制的挑战为用户提供先进的功能可能不够技术使用一个标准的人机界面,系统可以结合本地和远程控制操作模式(参见图5)。本地用户可以驱动轮椅基地冰箱,例如,然后根据他们的技能,要么直接让机器人手臂去拿汽水，要么让远程助手通过互联网来指挥他们的动作。

远程助手可以从传感器和电子成像仪上获取数据，还有一个触觉机器人，让他们能够真正地感受情况。库珀说:“这种方法使我们能够在其他机器人存在问题的非结构化环境中高效工作。”

为了确保安全并消除共模故障，该单元配备了多种传感器，包括编码器、陀螺仪、力传感器和温度传感器。这里，应用程序再次提供了一些有趣的约束。温度监测至关重要。例如，该系统利用热映射技术来防止机器人夹持器与热烤箱侧面接触而被灼伤，或者在手臂缩回后避免被热金属灼伤。夹持器中的热传感器也有助于条件路径规划。将一件t恤放在使用者身上可能不会带来安全风险，但将一锅沸水沿着同样的轨迹移动就会带来安全风险。该系统监测物体的温度，以确保机器人手臂走正确的路径。

该团队从一个详细的、基于模型的控制体系结构开始，但很快意识到现实世界的条件使这种方法计算过于密集。为了减少处理器需求，他们简化了他们的模型，并利用智能组件(如带有板载处理器的编码器)来实现分布式计算和通信需求。其结果是，该系统提供了令人惊讶的复杂程度，包括反小费功能;该小组还在研究全赛季牵引力控制的算法。

每个机器人手臂可以支撑6公斤的有效载荷，或者串联起来稍微小于12公斤。一个3600转的电机安装在轮椅的基座上，用皮带驱动手臂。Cooper说，皮带打滑很少是问题，部分原因是控制器避免了垂直升降的情况。如果皮带滑倒确实引入了一个错误，无论是本地或远程用户可以补偿它。另外一个带齿轮箱的1800转的电机驱动轮椅的轮子。

为了解决可听到的噪音问题，设计师专注于电机和变速箱的校准。“当你开车时，(伺服电机的噪音)实际上并不糟糕，”库珀说。“当你试图把它固定在某个位置时，会有更多的伺服呜呜声。我们用一个大的传动比来解决这个问题。它仅仅通过内部摩擦就能很好地将物体固定在合适的位置。”

该装置仍处于研发阶段，但目标是最终实现商业化。尽管PerMMA目前的成本约为20万美元，但库珀估计，大规模生产带来的规模经济可能会将价格压低至5万美元。

随着工程和运动控制能力的提高，他们提供了更加复杂的机动性解决方案。其好处远远超出了运动的实用性——通过带来易用性和独立性，这样的系统可以改变生活。