斯坦福大学的科学家开发了一种外骨骼，可以在不系绳的情况下提高行走效率。
为了有朝一日帮助行动不便的人，斯坦福大学的科学家们一直在脚踝外骨骼上辛勤工作，旨在使行走更容易。该小组刚刚推出了他们的第一个不受束缚的版本，用于实验室以外的用途，它可以在行走中调整其辅助水平，并提供类似于取下30磅（13公斤）背包的提升。
这些外骨骼旨在为踝关节提供帮助。在去年发表的研究中，该团队展示了该设备的一个版本，该版本可以将佩戴者的行走速度提高约40%。早期版本针对跑步者进行了调整，实验展示了如何将速度提高10%。
踝关节外骨骼的这些先前迭代是模拟器，这意味着它们涉及复杂的实验室设置，包括电线，跑步机和外部电机。通过将受试者连接到这些模拟器，研究人员能够收集运动数据并快速测试和微调系统，以根据步态和能量消耗提供最佳水平的帮助。
这些模拟器对于团队的研发非常宝贵，并且可以通过针对主题量身定制的帮助实现高度个性化。但是当涉及到这些外骨骼的现实世界潜力时，它们确实有明显的局限性，因此不受约束的版本总是在团队的十字准线中。
新的外骨骼是一种电动靴子，可在脚踝处施加扭矩，从而执行小腿肌肉的一些功能，帮助用户在每一步中推开。廉价的可穿戴传感器内置在靴子中以监控运动，使用机器学习算法根据人走路的方式调整辅助水平。
“我们通过可穿戴设备测量力和脚踝运动，以提供准确的帮助，”团队成员帕特里克斯莱德说。“通过这样做，我们可以在人们走路时小心地控制设cf黑号货源备，并以安全，不显眼的方式帮助他们。
无系留外骨骼永劫黑号
无系留外骨骼电子设备由微控制器、便携式传感元件、集成到电机中的电机驱动器和可充电电池组成。不受束缚的外骨骼使用Raspberry Pi 4b微控制器读取传感器数据，并以200 Hz的速率执行实时控制和优化。分线板使传感器能够与微控制器连接。降压型电压转换器使电子设备能够由便携式电池安全地供电。便携式传感元件包括踝关节中的旋转编码器，用于测量脚踝角度和速度，鞋子中的压力感应鞋垫，一组应用于脚跟杂散的全惠斯通电桥配置的应变片，用于测量扭矩，以及一个放大器（IAA100，Futek）用于测量应变片信号。
压力感应鞋垫的压力传感器位于脚后跟，第五跖骨，大脚趾远端指骨和第一跖骨。融合来自这些不同传感器的信息可以可靠地估计姿势和步幅周期，同时提供测量以提取信息以优化辅助。这种传感器的选择是由设计启发式指导的，即多种传感模式对于有效的外骨骼控制很重要。肌肉电活动本可以为控制提供额外的信息，但处理来自皮肤上的传感器的噪声增加了挑战。电子产品的总重量为0.15公斤。
无束缚外骨骼机电硬件示意图
整个系统由锂聚合物电池供电，标称电压为24 V，容量为1，300 mAh，重量为0.3 kg。在最苛刻的辅助模式下对电池寿命进行了实验评估，其特点是峰值扭矩为54 Nm，峰值扭矩的时序较晚。测试是在跑步机上以1.5米/秒的速度行走时进行的。电池最初充电至25.2 V的最大电压，一旦电池电压达到21.6 V，对应于3.6 V的电池电压，即锂聚合物电池放电建议的最低安全水平，则停止电池寿命实验。在测试过程中，电池电压由安全调节器监控，一旦电池电压达到3.6 V，就会警报。
该团队表示，外骨骼需要大约一个小时的步行才能适应用户，但一旦它这样做，它就会节省能源，并增加速度，相当于放下一个30磅的背包。
“与穿着普通鞋子走路相比，优化的辅助使人们步行速度提高了9%，每行驶距离消耗的能量减少了17%，”团队负责人史蒂夫柯林斯说。“这些是迄今为止任何外骨骼经济行走速度和能量的最大改进。在跑步机上的直接比较中，我们的外骨骼减少了大约两倍于以前的设备。”
科学家们认为外骨骼是同类产品中的第一个，并相信他们帮助行动不便的人的目标越来越近了。他们现在正在寻求在老年人和残疾受试者身上进行测试，并且还在研究改善平衡和关节疼痛的版本。
“这是我们第一次看到外骨骼为现实世界的用户提供节能，”Slade说。“我相信，在未来十年中，我们将看到这些个性化援助和有效的便携式外骨骼的想法，帮助许多人克服移动性挑战，或保持他们过上积极、独立和有意义的生活的能力。
