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近期，北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)制造與機(jī)器人系王啟寧研究員課題組在智能動力假肢能量回收研究方面取得新進(jìn)展，機(jī)器人領(lǐng)域頂級期刊IEEE Transactions on Robotics 于2020年10月8日以長文 (Regular Paper)形式發(fā)表了他們題為Energy Regeneration From Electromagnetic Induction by Human Dynamics for Lower Extremity Robotic Prostheses 的論文。

經(jīng)過長時間適者生存的自然進(jìn)化，人類學(xué)會了直立行走，從而解放了雙手。生物力學(xué)研究表明，在人體直立行走著地初期，為了支撐人體重量和儲存彈性能，踝關(guān)節(jié)主要以沖撞功的形式做負(fù)功。一些研究表明，通過壓力儲能鞋墊方式可以儲存部分能量，但是這部分儲存的能量通常轉(zhuǎn)化效率很低，大約在mW級別。特別地，針對下肢假肢，有研究提出了利用彈簧儲存能量，并在人腳蹬地時刻釋放儲能能量的方案。彈簧儲能的方式，需要增加額外的機(jī)械結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地會增加假肢重量，從而加重人體在行走過程中膝關(guān)節(jié)的負(fù)擔(dān)，可能會增加人體新陳代謝率。如何高效率儲能能量同時盡量減少人體在行走過程中膝關(guān)節(jié)的負(fù)擔(dān)，成為一個挑戰(zhàn)。

智能假肢能量回收原理圖

王啟寧課題組針對此問題，提出一種不增加額外機(jī)械結(jié)構(gòu)且能實現(xiàn)高效能量儲存的方案，并從原理和實踐兩方面證明此方案的可行性。在腳著地期間，通過控制相應(yīng)MOFSET開斷，實現(xiàn)了Boost升壓電能回收，并通過二級能量管理方案，給相應(yīng)假肢控制和執(zhí)行單元供電。在擺腿階段，假肢工作在主動運動模式下，通過恢復(fù)初始關(guān)節(jié)角度的方式，避免地面剮蹭，從而保證人體平滑自然行走。通過優(yōu)化設(shè)計，采用能量存儲方案的假肢每步平均可存儲1.53±0.29J能量，而假肢每步需要4.64± 0.15J，這意味著有三分之一的能量可以通過能量回收方式供給。相對于非能量存儲方案，在采用24 V、2.6 Ah電池情況下，采用此能量回收方案的假肢可以額外提供平均8.2h續(xù)航或者25000步行走。

論文通訊作者為北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)制造與機(jī)器人系王啟寧研究員，第一單位為北京大學(xué)，第一作者為王啟寧課題組2014級直博生馮仰剛（已于2019年畢業(yè)赴日本東京大學(xué)，作為博士后開展研究工作）。合作者還包括美國哥倫比亞大學(xué)Sunil K. Agrawal教授和北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)制造與機(jī)器人系麥金耿助理研究員。

上述研究得到了國家重點研發(fā)計劃“智能機(jī)器人”重點專項項目、國家自然科學(xué)基金“共融機(jī)器人”重大研究計劃、優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目資助。

Y. Feng, J. Mai, S. Agrawal, Q. Wang*, Energy regeneration from electromagnetic induction by human dynamics for lower-extremity robotic prostheses,

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9097206