2024年CYBATHLON大赛中的Cyberlegs X-Leg：关于这款主动型股骨假肢控制系统的开发见解

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Cyberlegs X-Leg at CYBATHLON 2024: insights on the control development of an active transfemoral prosthesis

　　

摘要

动力下肢假肢旨在提高截肢者在日常生活中的活动能力。CYBATHLON比赛提供了一个机会，用于评估这些设备在10项任务中的性能，这些任务涵盖了日常活动，如坐立、避障、在不平坦的地形和斜坡上行走以及爬楼梯等。本研究报道了CYBERLEGs X-Leg假肢的研发和应用情况。该假肢是一种配备分层控制架构和任务特定有限状态机（FSM）的膝踝动力假肢，在2024年CYBATHLON假肢竞赛中得到了实战测试。实验对象是一名股骨截肢者，经过大约46小时的训练后，他尝试了8项任务并完成了其中3项。总体而言，实验对象成功控制了假肢的行为以执行多种任务：在行走时实现了稳定的膝关节弯曲（约65度），通过大腿运动学驱动避障路径，并在从坐姿到站姿的过程中提供了膝关节伸展辅助（约-120牛顿米）。控制设计和比赛经验强调了在开发初期就开始进行控制协同设计的重要性，并揭示了基于多任务FSM的系统所需的繁重调优工作。性能分析指出，手动选择运动模式、基于阈值的FSM转换的敏感性以及在高扭矩水平下的用户不适感是需要改进的关键领域。比赛展示了基于FSM的控制技术在应对多种功能活动时的可行性和局限性。这些发现为未来的研究提供了方向，包括自主任务识别、更平滑的状态间控制过渡、丰富传感模式的整合以及基于用户需求的优化设计。