智能手臂:挑战人体极限

2020年Cybathlon是为使用仿生辅助技术的残疾人选手举办的一场独特的国际比赛，有鉴于此，来自巴黎智能系统和机器人研究所(ISIR)的一组法国研究人员开发了“智能手臂”。一种专为经肱骨截肢者设计的假臂，即在肘部以上。经过几年的研究，这种假肢的设计代表了一个真正的挑战，因为它涉及到创造一个义肢肘部。本文将回顾这一技术壮举和人类历险。

由于2019冠状病毒病大流行，2020年Cybathlon将于2020年11月13日至14日在全球范围内以一种新的形式在球队的主场基地举行。他们将为比赛搭建基础设施，并拍摄他们的比赛。在苏黎世，比赛将通过一个全新的平台进行独特的现场直播。

这是一项雄心勃勃的计划，旨在满足特定残疾人的需要

相对于前臂或手截肢而言，手臂截肢在很长一段时间内都没有得到相关的研究。它是指肘关节以上截肢，或全前臂发育不全，这是一种缺位自出生。尽管这种损伤主要发生在希望安装义肢的年轻人身上，但目前很少或没有合适的义肢解决方案。面对这一观察结果，来自智能系统和机器人研究所(ISIR)的一组研究人员在2014年启动了一项研究项目。作为AGATHE团队的一员(Assistance au Geste et Applications thérapeutiques)，这些研究人员在上肢假肢方面取得了很有前途的结果。“在2016年作为观众参加了Cybathlon的第一版后，我们想成立一个团队来推广我们的愿景和创新，”ISIR研究官员和智能手臂项目经理Nathanaël Jarrassé解释说，他对优化人体充满热情。

人机耦合

现在他们必须找到一个飞行员。经过几次不成功的搜索后，在maxon的一个合作者，Cybathlon的合作伙伴和ISIR的发动机供应商之间的讨论后，找到了理想的候选人。申请人是克里斯托弗•赫切特(Christophe Huchet)，他曾是巴黎餐厅的经理，现在是中小企业企业经理的教练。由于右前臂发育不全，他的游泳生涯也令人印象深刻，他曾多次夺得手游冠军，也曾在健全人赛场上夺冠。“这个项目把我带回到竞技运动和我在游泳生涯中熟悉的相关动态，但这一次是为了一个强大的事业:帮助他人，推动技术和社会。同样重要的是我参与这次活动,想要改变人们与括号看牙套的人,显示非凡的一面“user-prosthesis”夫妇和促进身体的这个联盟和技术使残疾“美丽”的方式。Christophe Huchet解释道。

为了参加Cybathlon, Smart ArM团队于2018年成立。它由一名飞行员、一名管理人员、一个由11人组成的技术小组以及一个医疗小组组成。这个项目汇集了不同领域的研究，从机电一体化到计算机科学，包括神经科学和生理学，以便正确地将假肢与身体连接起来。

“我们参与Cybathlon的动机是几个目标，包括促进ISIR的技术创新，在激烈的竞争环境中测试。我们也想引起公众对这些特殊残疾的关注，同时传达机器人辅助技术的真正可能性和局限性，”Nathanaël Jarrassé解释道。Smart ArM项目突出了人类在“人机”耦合中所扮演的重要角色，我们往往倾向于认为，成功仅仅取决于技术。

多个设计困难

智能手臂团队在让飞行员离开地面时遇到了几个困难。其中最大的一项是研发一个肘关节假体，即“外骨骼”，与Christophe Huchet的解剖结构相匹配。Nathanaël Jarrassé解释说:“与截肢者的残肢相反，他的手臂是正常手臂的长度，因此几乎没有空间安装经典的骨骼肌肘关节假体。”研究人员选择横向偏移驱动，以便以最佳方式放置义肢肘关节轴。

但这并不是智能手臂假肢所面临的唯一挑战，因为它是为了参加Cybathlon而设计的，原型必须能够承受实验室之外广泛和密集的使用。因此，有必要设计一个健壮的、完全嵌入式的设备。

高机动化的约束

选择原型的机动化是至关重要的，必须考虑几个参数。样机上使用的减速电机面临着非常强烈的间歇使用，弯头采用蜗轮传动，效率低，干摩擦大，起动困难。此外，要考虑的因素是供电电压的高波动，以及相当大的冲击和振动，因为原型机将由一个一直在跑和走的受试者携带。

6个月的工作是必要的发展外骨骼肘关节的SAM假体。为了操作它，团队选择使用马克森发动机。“在150°/s以上的速度下，人类肘部的扭矩约为15N/m。为了用一个小的关节和电池操作再现这种特性，我们正在寻找一种非常高性能的、小直径的齿轮减速电机。这就是为什么我们转向马克森的DCX-GPX电机变速箱系列，”Nathanaël Jarrassé解释道。在ISIR中，用于装备机器人原型的马克森电机并不罕见，这些机器人原型是在各种研究项目中开发的。“maxon产品的优势在于，他们提供了非常广泛的小直径执行器和市场电机，具有完全确定的特性，这使得我们的设备在初步设计阶段可以优化尺寸，”Smart ArM项目经理补充道。索邦大学的研究团队特别欣赏在线构建和定制执行器的能力。马克森还利用其工程师的专业知识提供技术支持。

Smart ArM团队希望在Cybathlon 2020年期间的技术演示将允许将开发的创新转移到商业产品。该公司相信，其基于肢体动作的假肢控制创新方法，将说服制造商与他们建立合作关系，让更多的人从这项创新中受益。Nathanaël Jarrassé说:“尽管面临许多挑战，但开发技术来帮助残疾人是非常令人兴奋和兴奋的。”在整个项目中，Smart ArM团队致力于开发一种有用的、可接受的和合适的工具，为那些想要安装设备的人。这是一个伟大的抱负，马克森为自己参与其中而感到自豪。

更多信息请访问Smart ArM网站。