《Advanced Intelligent Systems》：An Active Knee–Ankle–Foot Orthosis With Torque-Dense, Low-Impedance Knee Actuation
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被动式膝-踝-足矫形器通常用于下肢功能障碍患者，但无法完全补偿受损肢体功能，常导致步态异常、缓慢及慢性损伤。动力外骨骼是有前景的替代方案，但现有装置要么缺乏重度腿部无力患者所需的扭矩，要么不具备自然行走和用户协调运动所需的速度与反向驱动性。本研究提出一种主动式
被动式膝-踝-足矫形器通常用于下肢功能障碍患者，但无法完全补偿受损肢体功能，常导致步态异常、缓慢及慢性损伤。动力外骨骼是有前景的替代方案，但现有装置要么缺乏重度腿部无力患者所需的扭矩，要么不具备自然行走和用户协调运动所需的速度与反向驱动性。本研究提出一种主动式膝-踝-足矫形器，采用扭矩敏感型机器人驱动器驱动膝关节来解决上述矛盾。台架实验表明，该驱动器重1.45 kg，具备高峰值扭矩能力113 N·m、高速能力2500°/s和低阻抗0.75 N·m·s/rad。一名健全受试者的初步测试验证了该主动式KAFO能够提供生物学级别的扭矩和功率。三名下肢功能障碍患者的临床测试表明，该主动式KAFO可恢复患者交替上下楼梯的能力，并改善步行表现，超越被动式矫形器的能力范围。这些结果表明，所提出的主动式KAFO有望改善依赖被动式矫形器人群的活动能力。
研究背景与现存问题
下肢瘫痪或肌力减弱在美国影响约1.7%的人口。严重膝无力或不稳定的患者通常被处方膝-踝-足矫形器，这是一种被动式支具，通过在负重活动中锁定膝关节伸直位来防止塌陷，但这导致不自然且低效的步态，并引发多种长期并发症。微处理器控制的KAFO虽能在摆动相调节阻力、在屈膝时支撑用户，但仍是被动装置，无法产生净正功或主动输出力矩，因此不能弥补患肢机械功率的缺失。患者常采取代偿策略，过度使用健侧肢体，活动量减少，健康问题多于同龄健全人。
动力外骨骼理论上可通过机器人驱动器主动控制力矩来克服被动矫形器的局限，但现有临床外骨骼多采用高扭矩高阻抗驱动器，适用于完全截瘫患者，却剥夺了用户的自主控制权，且设备沉重、速度慢，不适合仍保有相当自主运动能力的KAFO用户。而轻量低阻抗的部分助力外骨骼虽响应性好，但最大输出扭矩通常低于30 N·m，远低于日常活动所需的生物学膝关节输出，无法为重度无力患者提供足够支撑。因此，开发兼具高扭矩、低阻抗、轻量化和高速度能力的主动式KAFO驱动器是当前的关键挑战。
研究内容与意义
研究人员设计并制造了一种基于扭矩敏感驱动的主动式KAFO，通过被动连续可变传动比同时实现高扭矩密度和低阻抗。台架实验证实该驱动器在1.45 kg重量下达到113 N·m峰值扭矩、2500°/s空载速度和0.75 N·m·s/rad的低阻抗。一名健全受试者测试显示其能提供生物学级力矩和功率。三名不同程度下肢功能障碍患者（P1使用踝-足矫形器、P2使用微处理器KAFO、P3使用轮椅）的临床评估表明，该装置恢复了所有患者交替上下楼梯的能力，并改善了步行时的膝关节屈曲角度、髋关节活动范围和足部离地间隙。该研究证明扭矩敏感驱动可同时满足KAFO用户对高助力和自主控制的需求，有望显著提升依赖被动矫形器人群的活动能力和生活质量。
关键技术方法
研究人员采用了以下核心技术方法：
- 1.
扭矩敏感五杆机构：设计了一个包含主弹簧和副弹簧的五连杆机构，构成被动连续可变传动比。输出扭矩增大时，扭矩敏感连杆偏转，使有效曲柄长度增加，从而自动提高扭矩比（输出扭矩与电机扭矩之比）。双速率减震弹簧使机构在低扭矩时刚度较高、动态响应快，在高扭矩时刚度较低、便于大变形。
- 2.
直接滚珠丝杠驱动：将无框电机转子直接固定在滚珠丝杠上，省去齿轮或联轴器，减小体积和重量，消除回程差。选用大直径高扭矩电机和大导程滚珠丝杠实现高扭矩密度、高效率及低噪音。
- 3.
仿真优化框架：基于开源生物力学数据集和外骨骼实验数据建立运动静力学仿真，输入目标任务的扭矩-速度曲线，计算各设计参数下的连杆力、速度、电机电流电压、能耗和发热量，通过网格搜索和自定义图形界面筛选最优几何参数。
- 4.
定制碳纤维矫形器与被动自由度：将驱动器固定于临床级定制碳纤维KAFO上，并在矢状面和额状面设置被动旋转自由度，使驱动器轴线可随用户解剖膝关节的内外翻和旋转自由调整，避免系统卡滞。
- 5.
嵌入式电子与分层控制：内置12芯44.4 V锂电池、母板（含中端微控制器和可选树莓派）、低层控制板和伺服驱动板，以1.5 kHz读取绝对编码器和惯性测量单元。高层控制器针对不同任务（平地行走、上楼、下楼、坐-站转换）采用有限状态机切换阻抗控制和闭环位置控制；低层采用开环力矩控制，利用实测效率系数和扭矩比直接由期望力矩计算电机电流。
研究结果
2.1 设计目标与概述：目标是在不超过1.5 kg重量下最大化峰值扭矩并最小化输出阻抗，运动范围≥125°，宽度尽量窄以保持低侧面轮廓，传动安静并全封闭。采用直接滚珠丝杠驱动结合扭矩敏感驱动来实现。
2.2 扭矩敏感驱动器运动学：五杆机构中，电机主轴拉动连接杆，连接杆再拉动扭矩敏感连杆绕扭矩敏感关节旋转，压缩主弹簧、拉伸副弹簧，使有效曲柄长度增加，从而提高扭矩比。扭矩比n取决于膝关节屈曲角θ和扭矩敏感连杆角β，公式推导见SM1。输出惯量、最大关节速度和最大关节扭矩均随θ和β变化。当连接杆与扭矩敏感连杆共线时发生奇异点（膝角76°），之后扭矩比仅与屈曲力矩成比例。
2.3 仿真框架：以开放获取生物力学数据和先前外骨骼实验的扭矩-速度曲线为输入，通过运动静力学仿真计算电机位置、速度、力矩及扭矩敏感连杆运动，评估电流、电压、电能消耗和绕组发热。经网格搜索和GUI可视化选择最终设计参数。
2.4 机械设计：电机（TQ-Group ILM 38×12-SP）驱动低噪音滚珠丝杠（Eichenberger KGT-8×3-FGF），丝杠螺母连接直线导轨，并通过两根平行连接杆带动曲柄绕膝关节输出轴旋转。扭矩敏感机构位于曲柄内，含扭矩敏感连杆、主弹簧和副弹簧。聚氨酯弹簧具有低成本、低重量和高能量密度特点。双弹簧构成双速率减震弹簧：低扭矩时两弹簧并联，等效扭转刚度高；高扭矩时仅主弹簧作用，等效刚度低，增强系统动态响应。
2.5 定制矫形器：驱动器固定于临床级定制碳纤维KAFO上，该矫形器原配微处理器KAFO。大腿、小腿和足部分段通过内侧旋转关节和外侧驱动器连接，踝关节两侧设旋转关节，可选压缩弹簧防足下垂。Velcro绑带固定用户肢体。被动自由度允许驱动器在额状面和横截面自由移动，避免系统卡滞。
2.6 嵌入式电子与传感：12芯44.4 V 850 mAh锂电池供电，母板含中端微控制器和可选树莓派，低层控制板以1.5 kHz读取绝对编码器和IMU，伺服驱动板输出电机电流。球螺杆上的绝对编码器用于换向。
2.7 尺寸、重量与惯量：驱动器总重1.45 kg（不含电池），反射电机惯量在低扭矩比配置下为42 kg·cm2，高扭矩比配置下为220 kg·cm2，宽4.5 cm，运动范围125°。整套主动KAFO总重4.55 kg。
2.8 控制：高层控制器包括四个任务依赖的状态机：平地行走（阻抗控制与最小加加速度轨迹位置控制切换）、上楼（阻抗控制加胫骨角度相关刚度项）、下楼（单向阻尼阻抗控制）、坐-站转换（阻抗控制，平衡位置从坐姿角斜坡降至站立角）。低层采用开环力矩控制，利用传输效率η、扭矩比n和电机力矩常数kt由期望力矩计算电机电流。传输效率在伸展方向设为98%，屈曲方向为92%。
3.1 输出阻抗：固定小腿段，手动以振幅60°的正弦轨迹反向驱动大腿段，频率从0.25 Hz增至3 Hz。在所有频率下输出阻抗低于0.75 N·m·s/rad，正常步频0.87 Hz时约0.4 N·m·s/rad，最低反向驱动力矩0.8 N·m。
3.2 最大扭矩：固定小腿段，命令驱动器施加3 N·m/°恒定刚度，手动加载长连杆直至电机电流达最大值。三次试验平均峰值扭矩指令108 N·m，实测峰值扭矩113 N·m。
3.3 声学噪声：在安静房间内以振幅70°、频率1 Hz和2 Hz反向驱动，距1 m处测量。环境本底约43 dBA，1 Hz条件下43–47 dBA，2 Hz条件下45–50 dBA。
3.4 开环力矩阶跃响应：固定小腿段和力传感器，命令15和30 N·m的屈曲和伸展阶跃。屈曲方向15/30 N·m超调17.9%/20.1%，稳态误差3.3%/0.3%，上升时间16.0/14.8 ms；伸展方向超调10%/9.8%，稳态误差3.6%/2.1%，上升时间16.8/20.4 ms。力矩带宽伸展方向17–21 Hz，屈曲方向22–24 Hz。稳态误差均小于0.7 N·m。
3.5 减震弹簧系统：命令伸展力矩从0缓慢升至70 N·m，测量扭矩敏感连杆角。单弹簧配置下初始刚度2.67 N·m/°，末段平均刚度0.83 N·m/°；双弹簧配置下初始刚度8 N·m/°（三倍），末段平均刚度0.86 N·m/°。副弹簧仅在扭矩敏感连杆角小于4.5°时起作用，高扭矩下无影响。
4.1 方法：一名健全男性受试者（31岁，80 kg，178 cm）佩戴主动KAFO进行平地走、上楼和下楼。控制器经目测和受试者反馈手动调参。记录内置传感器数据，定义扭矩比调制为扭矩敏感机构偏转引起的扭矩比百分比增量。电功率按公式计算，减去空闲功耗后积分得到电能消耗。
4.2 结果：受试者以1.04 m/s、100步/min行走，峰值膝关节速度333°/s，峰值屈曲力矩16 N·m，峰值正功率74 W，扭矩敏感机构未明显偏转，扭矩比44–54。上楼时峰值伸展力矩108 N·m，峰值正功率370 W，扭矩敏感连杆偏转至36°，扭矩比调制110%，最大扭矩比101。下楼时峰值伸展力矩91 N·m，峰值耗散功率275 W，扭矩敏感连杆偏转至35°，扭矩比调制160%，最大扭矩比105。每步电能消耗分别为15 J（走）、304 J（上楼）、73 J（下楼），对应单次充电可走约21000、1000和4400步。
5.1 方法：三名下肢功能障碍患者参与：P1（脑卒中，使用AFO）、P2（坐骨神经损伤，使用微处理器KAFO或轮椅）、P3（T-12不完全脊髓损伤，使用轮椅或锁死KAFO+AFO+拐杖）。每位患者完成一次训练调参，随后采集数据。P3因双侧障碍在右侧戴AFO、左侧戴主动KAFO并使用拐杖。收集行走、上下楼和坐-站转换数据。
5.2 结果：所有患者均能用主动KAFO行走并以交替方式上下楼梯。平地行走时峰值伸展力矩0.12–0.48 N·m/kg，峰值屈曲力矩0.12–0.24 N·m/kg，峰值正功率0.10–0.42 W/kg，峰值耗散功率0.1–1.28 W/kg。上楼时峰值伸展力矩0.38–1.0 N·m/kg，峰值正功率0.44–3.5 W/kg。下楼时峰值伸展力矩0.36–0.79 N·m/kg，峰值耗散功率0.7–1.38 W/kg。P1、P2、P3的步速分别为0.74、0.78、0.64 m/s。扭矩敏感连杆最大偏转角分别为P1: 5.6–14.2°、P2: 6.1–12.2°、P3: 28.3–32.4°，相应峰值扭矩比分别为55–65、57–67、70–100。P2在行走中实现净电能再生（?7 J/步）。与被动矫形器相比，所有患者在行走、上楼和下楼的峰值膝关节屈曲角和髋关节活动范围均有改善，足部离地间隙也增加。P2和P3成功完成坐-站转换，峰值伸展力矩1.15和0.5 N·m/kg，峰值机械功率3.2和1.0 W/kg。
6 比较分析：将所提扭矩敏感驱动器与六种最先进的无线膝外骨骼驱动器对比。本驱动器在1.45 kg重量下达到113 N·m峰值扭矩和0.75 N·m·s/rad低阻抗，综合性能优于多数对比装置，尤其在扭矩密度和低阻抗方面表现出色。
讨论与结论
研究人员开发的主动式KAFO通过扭矩敏感驱动同时实现了高扭矩（113 N·m）、高速度（2500°/s）、低阻抗（0.75 N·m·s/rad）和轻量化（1.45 kg），解决了传统驱动器在扭矩、速度、重量和输出阻抗之间的固有矛盾。健全受试者测试证实其能提供生物学级别的膝关节力矩和功率。三名下肢功能障碍患者的临床测试表明，该装置恢复了所有患者交替上下楼梯的能力，并改善了步行时的膝关节屈曲、髋关节活动度和足部离地间隙，超越了各自被动矫形器的性能。P2在行走中甚至实现了电能再生。这些结果证明，扭矩敏感驱动可以同时满足KAFO用户对高助力和自主运动控制的双重需求，有望显著改善依赖被动矫形器人群的活动能力和生活质量。
