maxon Story
Smart ArM：突破人体极限
2020年Cybathlon仿生奥运会是一项独一无二的国际性赛事，参赛选手全都是使用仿生辅助技术的残障人士；为了参加这项比赛，来自巴黎智能系统与机器人研究所 (ISIR) 的一个法国研发团队专门研发出“Smart ArM”：一款专为肘部以上截肢患者设计的手臂义肢。研发团队经过多年努力才完成这款义肢的设计；之所以说这款义肢的设计是一项真正的挑战，是因为它涉及到义肢肘关节的设计和制造。本文对这项技术创新和冒险进行了回顾。
第二届仿生奥运会于2020年11月13日至14日在全球范围内举行，但由于2019冠状病毒病疫情的原因，这次赛事以全新的形式在各支队伍所在国家内展开。各支队伍为比赛专门搭建所需的障碍赛道基础设施，并通过拍摄记录他们的比赛。在苏黎世会通过一个全新的平台直播这次独特的赛事。
一款专为肘部以上截肢患者设计的手臂义肢
这是一个满怀雄心壮志的项目：满足特殊残障人士群体的特殊需要
与前臂或手部截肢相比，肘关节离断并不常见，因此在很长一段时间内，义肢开发人员相对较少关注肘关节离断患者。肘关节离断可能是肘上截肢，或者是在出生时就没有手臂，这种情况也被称为前臂先天发育不全。尽管这种损伤主要涉及到迫切希望安装义肢的年轻患者，但目前只有极少数或者根本没有合适的义肢解决方案。面对这一情况，来自智能系统与机器人研究所 (ISIR) 的一组研究人员在2014年启动了一个研究项目。研究人员组成AGATHE团队（手势辅助和治疗应用），并在上肢义肢方面取得了可喜的成果。“2016年，我们作为观众参加了第一届Cybathlon仿生奥运会，之后我们就产生了成立一个团队来推动我们的愿景和创新实现的想法”，ISIR研究官兼Smart ArM项目经理Nathanaël Jarrassé解释说，他本人非常热衷于人体优化研究。
人机结合
现在，团队必须找到一名试用人员。在几次寻找无果后，团队向maxon的一名工作人员讲述了他们所遇到的难题；maxon公司作为Cybathlon的合作伙伴兼ISIR的发动机供货商，帮助他们找到了最理想的试用人员。申请成为试用人员的是Christophe Huchet，他曾是巴黎一家餐厅的经理，现在则为SME业务经理提供培训。这位试用人员虽然患有先天性右前臂发育不全，但却拥有令人印象深刻的游泳运动生涯：他曾多次在残疾人运动会中获得游泳比赛冠军，甚至曾与身体健全的运动员同场竞技并获得冠军。“这个项目让我重新回到竞技体育和游泳运动生涯中熟悉的运动状态，但这一次的目标是为了实现一项伟大事业：帮助他人，并推动技术和社会进步。对我来说，参与这项全球性活动也很重要，因为这项活动的宗旨就是改变义肢佩戴者对待其他义肢佩戴者的方式、展示“义肢佩戴者”非凡出色的一面，并促进身体与技术的结合，从而在某种程度上展现残疾“美丽”的一面”，Christophe Huchet解释说。
Smart ArM团队成立于2018年，参加下一届Cybathlon仿生奥运会为目标。团队包括一名试用人员、一名经理、一个由11人组成的技术团队（成员主要来自ISIR和ISM-Univ Aix-Marseille大学）和一个医疗团队。这个项目中汇集了从机电一体化到计算机科学，甚至还有神经科学和生理学在内的各种不同研究领域的专业知识，以确保义肢与身体正确连接。
“我们参加Cybathlon仿生奥运会的动机有几个，其中包括促进ISIR技术创新，这些创新需要在激烈竞争中经受检验。另外，我们还想引发公众对特殊残障疾病的关注，同时展现机器人辅助技术的真正可能性和局限性”，Nathanaël Jarrassé解释说。Smart ArM项目强调了人类在“人机结合”中发挥的主要作用，我们以往通常认为成功只是归功于技术。
多项设计难题
在让试用人员的外骨骼起动方面，Smart ArM团队遇到了一些困难。最大的一项挑战便是如何开发出与Christophe Huchet的身体结构相兼容的“外骨骼”人工肘关节。“与截肢患者的残肢（通常因截肢手术而缩短）相反，他的手臂长度与正常手臂一致，因此几乎没有空间用于安装传统的内骨骼肘关节”，Nathanaël Jarrassé解释说。研究人员选择了横向移动执行装置，从而能以最佳的方式安放人工肘关节的轴。
但Smart ArM义肢所带来的挑战远远不止这一个，因为它是专为参加Cybathlon仿生奥运会的人士设计的，它的原型就必须能经受住在实验室之外的广泛而剧烈的使用方式。因此，必须设计出一种坚固耐用并且完全内置的装置。
较高的机动化限制
原型机动化系统的选择至关重要，必须仔细考虑多项参数。原型中所使用的变速箱机必须承受非常剧烈的间歇性使用，用于肘关节的蜗轮传动效率较低，干摩擦却较高，从而使得起动非常困难。另外，还要考虑电源电压的高波动以及相当大的冲击和振动，毕竟，试验人员会佩戴着原型持续进行跑步和行走运动。
SAM义肢外骨骼肘关节的研发工作耗费了六个月的时间。团队选择maxon电机来运行这个外骨骼装置。“当速度超过150°/s时，人的肘部就会产生大约15N/m的扭矩。为了通过较小的关节和电池运行再现这些特性，我们需要找到一种高性能、小直径的减速电机。因此，我们最终选择了maxon的DCX-GPX电机-变速箱组合产品”，Nathanaël Jarrassé解释说。ISIR常常使用maxon电机来装备在各种研究项目背景下开发的机器人原型。“maxon产品的优势在于：它们可以提供范围非常广泛的小直径执行器，以及具有独一无二特征的电机，这让我们甚至能在初步设计阶段达到最佳的尺寸”，Smart ArM项目经理补充说。索邦大学的各个研究团队尤其欣赏maxon提供的执行器在线配置和订购功能。另外，maxon也利用其工程设计方面的专业知识为客户提供技术支持。
Smart ArM团队希望，通过在2020年度的Cybathlon仿生奥运会期间展示其专业技术，能帮助将研发的创新设计转化为商业产品。这个团队相信：基于身体运动的义肢控制创新方法可以说服制造商建立合作伙伴关系，并尽量帮助更多人士从这一创新中受益。“尽管面临许多挑战，但开发可以帮助残疾人的技术真的是一件非常激动人心并且令人兴奋的事情”，Nathanaël Jarrassé说。在整个项目中，Smart ArM团队致力于为希望安装义肢装置的患者开发一种实用、可接受并且合适的工具。这是一项伟大的事业，maxon公司为自己能成为其中一员而感到自豪。
更多信息请见Smart ArM网站。