基于动作捕捉的踝关节动力矫形器外骨骼开发

一、研究背景

人体的踝关节可以帮助保持平衡、吸收冲击、为步态提供推进力，在人类步态循环中起到至关重要的作用。但是中风、肌肉萎缩症或其他神经损伤的患者通常会由于跖背肌无力而出现运动障碍。

二、实验过程

踝关节矫形器（ankle–foot orthosis，AFO）是一种用于矫正患者脚踝不正的穿戴式医疗设备。合肥工业大学的研究人员开发了一种用于踝关节康复的踝关节矫形器外骨骼，由电机串联柔性驱动器为踝关节背屈和跖屈方向提供助力。该外骨骼由串联弹性驱动器（SEA）驱动，带有磁流变制动器（MR），在能量收集模式下工作，SEA的电机可以产生电能，在踝关节康复阶段提供电能。

为了对开发的踝足矫形器机器人进行性能评估，以5名健康受试者为实验对象进行行走实验。共进行四组条件下的实验：
1）不佩戴AFO
2）佩戴AFO但不启动
3）佩戴并启动AFO，但不使用磁流变制动器
4）佩戴并启动AFO，使用磁流变制动器

在第一组实验中，受试者以正常步态行走，运动中不佩戴A·FO，为了准确获取过程中踝关节的运动数据，在受试者的下肢粘贴反光标识点，利用场地中布置的NOKOV度量光学动作捕捉系统进行采集。第二、三、四组实验佩戴AFO，利用AFO的传感器获取数据。

三、实验结果

实验结果如图所示：(a) CD阶段的平均踝关节角速度，(b) CD 阶段的平均功率，(c)PP 阶段的平均踝角位移，(d) 摆动阶段的平均踝角。实验结果表明，踝关节矫形器外骨骼可以在受控跖屈(CD)阶段制动穿戴者的脚踝跖屈并收集能量，在耗能跖屈(PP)阶段为穿戴者身体向前推进提供跖屈扭矩，并在摆动阶段保持趾步间隙。该外骨骼可以有效为踝关节背屈和跖屈方向提供助力。

参考文献：

[1] Chen B, Zi B, Wang Z, et al. Development of Robotic Ankle–Foot Orthosis With Series Elastic Actuator and Magneto-Rheological Brake[J]. Journal of Mechanisms and Robotics, 2021, 13(1).