非反向驱动主动踝足矫形器（AAFO）在TWIN下肢外骨骼中的设计与验证：提升步态安全性与能耗效率的创新研究

这篇研究创新性地开发了一种集成于TWIN下肢外骨骼的非反向驱动主动踝足矫形器（AAFO），通过两阶段传动系统（行星齿轮+蜗轮）实现50 Nm峰值扭矩输出，同时降低远端质量。其轨迹规划算法基于人体踝关节生物力学（20°背屈/50°跖屈），结合最小加加速度优化，显著提升摆动期足尖间隙（1.3 cm vs 被动式0.3 cm），降低绊倒风险。临床测试显示该设计在0.33 m/s步速下能耗低于髋膝关节，电池续航超2小时，为脊髓损伤（SCI）和脑卒中患者的康复提供了高效解决方案。

　　

2 Materials and methods

2.1 System requirements

研究基于TWIN外骨骼框架，提出AAFO需满足四大设计指标：

1. 1.

   运动学：匹配0.33 m/s步速下人类踝关节活动范围（背屈20°/跖屈50°）及峰值角速度4.3 rad/s；

2. 2.

   动力学：最大扭矩50 Nm（约0.7 Nm/kg），重点支持摆动期而非推进期；

3. 3.

   模块化：胫骨长度可调（33-45 cm），覆盖81%人群；

4. 4.

   减重设计：通过蜗轮传动将驱动单元沿胫骨分布，降低远端惯性对髋膝关节功耗的影响。

2.2 AAFO mechatronics design

机械结构采用ILM50x14无框电机驱动两级传动：

• •

  第一级行星减速箱（GPL042，4:1，η≈0.9）

• •

  第二级蜗轮（35:1，η≈0.43）实现自锁，静态负载零功耗

  创新性将驱动模块重心上移，配合聚丙烯足底（5种尺寸可选）实现穿戴适配。电气系统通过TMC4671控制器执行PI位置控制，编码器分辨率达4096 CPR。

3 Experiments and results

3.1 Simulations

MATLAB仿真显示：

• •

  步长30-40 cm时，踝关节运动范围自适应扩展；

• •

  步高2-10 cm条件下，主动AAFO较被动式足尖间隙提升1 cm，显著降低障碍碰撞概率（理论计算从1/150步降至1/4000步）。

3.2 Bandwidth analysis

带宽测试表明：

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  20°振幅下截止频率3.7 Hz，远超人类步态最高频成分（2.3 Hz@2.33m/s）；

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  10°小振幅时带宽达6.4 Hz，满足高精度跟踪需求。

3.3 Standing, sitting, and walking tests

4名健康受试者测试显示：

• •

  最大步速0.33 m/s时，踝关节峰值扭矩13.5±2.22 Nm，角速度-1.37±0.024 rad/s；

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  位置跟踪误差<0.025 rad，摆动期扭矩波动标准差极低，体现运动平滑性；

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  整机功耗分析显示踝关节能耗占比最低，预估续航超2小时。

4 Discussion

与Quix等外骨骼（120 Nm踝关节）相比，该设计牺牲主动推进但换得能耗优势。蜗轮传动虽效率较低（η≈0.43），但通过自锁特性实现静态支撑零功耗。临床转化需注意痉挛患者可能引发的干扰力矩，但当前扭矩/功率余量（仅达设计上限27%）可缓冲此类影响。

5 Conclusion

研究证实非反向驱动AAFO在步态安全（足尖间隙+300%）、能耗效率（静态零功耗）和穿戴适配（模块化设计）方面的优势，为SCI康复设备开发提供新范式。未来将拓展至多自由度设计和临床长期验证。