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曾几何时，法国北部INJENO协会的主席LucMasson一直梦想着他九岁的女儿有朝一日能够行走。他的女儿Inès患有多种影响运动技能的神经疾病，包括癫痫。她平时使用带头枕的轮椅，需要他人协助才能在附近移动。
多年前，Masson接触了JUNIAHEI科学与工程研究生院LaurentPeyrodie的机器人和机电一体化小组，该研究生院隶属于里尔天主教大学。他设想出一种自主下肢外骨骼，可供儿科临床医生用作物理治疗工具。这款设备同样也为像他女儿这样的儿童带来了福音，让他们有机会以新的方式体验这个世界。
Peyrodie还是里尔生物医学信号处理部门的负责人。他回忆道，“Luc非常热情，且富有同情心。他问过‘你能为我们做点什么’的问题。带着这个问题，我们和这所大学的学生们开始展开了几项不同研究”。Peyrodie聘请了博士后研究员ZhangYang领导机械和电子方面的开发工作。一位同事正穿戴着外骨骼原型行走。（视频所有权：JUNIAHEI）
JUNIAHEI助行项目汇聚了技术人员、机械和生物医学工程师以及医疗保健专业人士，旨在为患有严重神经障碍的儿童打造机械化的矫形器。这个项目吸引了十余个商业、非营利和学术合作伙伴的加盟，并通过一项欧洲计划募得了万欧元（约合万美元）的研究资金。
Peyrodie和ZhangYang使用3D打印部件、低振动直流电机和嵌入式传感器创建了原型。他们还使用MATLAB?、Simulink?和SimscapeMultibody?建立了电机动力学模型并设计了电机控制器，从而加快了开发速度。为了在原型硬件上进行高效的实时测试，该团队与MathWorks的合作伙伴Speedgoat进行了合作。
最近，参与该项目一位身材娇小的女同事试用最新原型体验了行走。在接下来的几个月里，该团队计划寻求批准在儿童身上测试外骨骼。
迈出第一步
该助行项目引用了瑞典的一项研究。该研究发现，瑞典有30%的脑瘫(CP)儿童到五岁了还不会走路。另有16%的儿童需要辅助设备才能行走。根据这些统计数据，该项目团队估计，外骨骼技术可能会使欧洲6,名10岁以下的儿童受益。脑瘫儿童只是冰山一角。患有影响腿部运动的其他疾病的儿童还有很多。尽管存在这种医疗保健需求，但人们仍倾向于将外骨骼视为成年人用的装备，例如科幻电影《钢铁侠》里的战甲或现实世界中用来防止受伤的装备。在美国本土，美国陆军开发了承重力高达91公斤（磅）的人类通用型负重外骨骼(HULC)，并计划于明年将一种灵活轻便的新型外骨骼投入战场使用。
如果制造一种获准用于患有多种疾病的儿童（包括许多有交流障碍的儿童）的医用外骨骼，则需要进行全面的临床安全性评估。“在临床环境中，对儿童进行结构测试极其困难，因为我们必须证明他们不会面临任何风险或危险，”Peyrodie说道。
他还说道，获得委员会的伦理批准是至关重要的一步。此后，医疗设备制造商必须历经欧洲药品管理局的漫长评估过程，才能在产品上粘贴ConformitéEuropéenne(CE)标志。在儿童下肢外骨骼开发中，面临的另一项挑战是价格。当时的想法是，儿童长得很快，需要不同系统，这会使成本成倍增加。因此，该助行项目的独特系统经过精心设计，能够根据儿童身高体重的变化进行调整。
JUNIAHEI助行项目面向8至12岁患有多种疾病的儿童，包括下肢截瘫儿童。外骨骼必须是一种可调节的结构，才能适应身高不同且体重不超过50公斤（磅）的穿戴者。
“这是一个相当复杂的项目，”Peyrodie说道。“它就好像一家初创企业：我们需要找到一种方法，只需几个人在很短的时间内就能构建原型。”
Interreg2Seas是一项欧洲领土合作计划，覆盖由英吉利海峡和北海连接的地区。该计划在年至年间投资了多个可持续和包容性的跨境合作项目，并于年批准了对该助行项目的资助。受新冠疫情的影响，原定的项目时间表稍有延迟，但该团队仍需快马加鞭地进行原型开发。
合二为一，自由行走
为了实现仿生重塑行走运动，需要构建一款精密的机器人系统。该系统必须非常稳健，足以让儿童及其看护者完全信任它的自主功能。这款医疗设备还必须足够简单，便于临床医生安全使用。
最初，研究人员尝试用C++设计外骨骼，但手动编码过程缓慢而冗长。“我们无法在设定的项目时间内完成任务，”Peyrodie回忆道。“为了解决这个问题，我们在比利时鲁汶大学的项目合作伙伴将MATLAB和Simulink与Speedgoat?结合使用，从而节省了时间。”
于是，双方转而使用MATLAB和Simulink进行了基于模型的设计。“MATLAB可完成海量计算。你只需点击函数名称，就可以直接得到计算结果，”ZhangYang说道。“如果用C++进行设计，你需要输入大量代码，才能实现一项功能。使用MATLAB和Simulink进行基于模型的设计确实帮我们节省了时间。”
JUNIA外骨骼模型。（图片所有权：JUNIAHEI）
借助SimscapeMultibody，他们用儿童大小的人体模型构建了外骨骼电机的动态模型，并在仿真环境中应用了未来场景。这样，他们便能了解其外骨骼电机所需的参数，从而缩小参数的候选范围。Peyrodie和ZhangYang最终选择了Maxon无刷电机，这在很大程度上是因为该公司的驱动器通过控制器局域网(CAN)工业协议进行通信，并能够与实时开放网络EtherCAT顺利集成。
如果从一开始就对外骨骼金属部件进行计算机数控加工，研究人员就无法随时进行更改。为此，该团队改为通过网络商城订购定制的3D打印部件。他们先从订购小型早期原型所需的塑料部件入手。在弄清楚所要使用的电机后，该团队就有信心向全尺寸的金属组件过渡了。
研究人员在每个脚踏板中都安装了压力传感器和一个CAN总线，以及惯性测量单元(IMU)。外骨骼的背部也有一个IMU，使该团队可以测量步态。该外骨骼总共有六个作动自由度，其运动范围受机械的限制。
如果没有链接电机和传感器的高效通信系统，自主外骨骼就无法正常工作。“我们发现，SimulinkReal-Time?是最好的选择，因为无论你需要哪种模型或控制算法，都可以将其设计出来并快速应用于你的原型，”ZhangYang说道。“它还使用了高速工业通信协议。”
用3D打印部件构建的早期外骨骼原型。（图片所有权：JUNIAHEI）
总部位于瑞士的Speedgoat致力于生产与MATLAB和Simulink兼容的测试系统，包括实时目标机。该目标机非常小，足以让Peyrodie和ZhangYang将其嵌入到原型中，并通过网线连接到计算机。Speedgoat的系统还能兼容Maxon电机驱动器，因此，该团队可以快速地对其控制设计进行仿真和测试。
新冠疫情初期，出入大学校园受到限制。虽然面对面的工作被迫中止，但研究人员能够远程完成一些仿真和设计。“我们的开发工作仍在进行中，”ZhangYang说道。“原型需要不断地进行微小的调整和修改才能日臻完善。”
探索新领域
外骨骼包含一个传感系统，其中包括惯性测量单元、关节编码器（用于控制角度），以及地面反作用力传感器。外骨骼的每只脚上都有四个传感器，用于检测人脚的踩踏位置，这对于保持平衡至关重要。
“我们针对重量转移开发了一种控制算法。这种控制算法让外骨骼在开始迈步前可将重量转移到前脚，然后轻松地抬起无负重的后脚自动向前移动，”ZhangYang说道。“因为每只脚上都有传感器，所以，我们知道是否发生了重量转移。如果重量转移成功，这就会自动触发迈出下一步。”未来，我们计划开发另一种控制算法，使外骨骼可以根据需要增加步幅，从而提高稳定性。
自动步进并未包含在原始设定中，但与该项目团队协作的临床医生指出，人类通常不会在迈步之间完全停止。Peyrodie说道，传感器和MATLAB使得集成该自动化方法比尝试自己编码容易得多。
JUNIA自主儿童外骨骼。（图片所有权：JUNIAHEI）
“如果我们使用C++或C#进行开发，那么将需要编码系统方面的专家，”Peyrodie说道。ZhangYang也认为，MATLAB和Simulink使他们的原型设计总时间预计减少了一半。
Peyrodie和ZhangYang还使用MATLABApp设计工具创建了用户界面，使临床医生及合作伙伴能够测试外骨骼。医疗保健专业人士的反馈至关重要，尤其是考虑到各国采用不同的康复方法。Peyrodie指出，法国的理疗师青睐周期性肢体次激，而波兰的理疗师则强调日常锻炼。但许多医疗保健专业人士根本没有足够多的数据用来提供康复指导。
助力行走，愉悦身心
“我们需要能够评估儿童在使用我们的外骨骼行走时的压力水平，因为这是决定是否会采用此类系统的主要因素，”Peyrodie说道。
他们研发的外骨骼已通过电气测试，并准备接受荷兰一家康复中心的评估，因为该中心的临床医生拥有利用机器人治疗成年人的经验。获得伦理批准尚需时日，但Peyrodie表示，这一阶段对于展示此系统的效率和安全性非常重要。如果一切顺利的话，今年冬天将启动对儿童进行的临床试验。
由此可见，该团队从未忘记LucMasson的热切恳求。
未来，该项目团队认为外骨骼将发挥两方面的作用。“我们希望将它用于康复训练，让儿童可以再次行走或恢复行走能力，”ZhangYang说道。另一方面，我们也希望它发挥出更感性的作用。“如果能从心理上感知行走的感觉，这可能会让像Inès那样的患者感到快乐。”
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