《Sensors》：Measurement-Based Optimization of a Lightweight Upper-Extremity Rehabilitation Exoskeleton for Task-Oriented Treatment
Piotr Falkowski,
Piotr Ko?odziejski,
Krzysztof Zawalski,
Maciej Pikuliński,
Jan Oleksiuk,
Tomasz Osiak,
Andrzej Zakr?cki,
Kajetan Jeznach and
Daniel ?li?
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本文介绍了一种针对上肢康复外骨骼的综合性、数据驱动的轻量化设计优化方法。该研究整合了多体动力学（MBD）模拟、拓扑优化（TO）和参数优化（PO），利用现实生活中的日常活动功能运动测量数据来指导外骨骼SmartEx-Home的减重设计。通过这套基于测量的多步骤优化框架，在满足安全系数、应力和应变标准的前提下，成功将主要结构件质量降低了近50%，为在家庭环境中实现高效、轻便的任务导向运动疗法（kinesiotherapy）提供了创新性的工程技术方案。
文章内容归纳总结
引言
当代物理治疗需要技术工具来为数日益增长的神经系统疾病等患者提供有效疗法。康复机器人，特别是外骨骼，能够以复杂的、代表日常生活活动（ADL）的运动来驱动多个关节，是实现这一目标的有力工具。为了在家庭环境中便捷地进行运动疗法，外骨骼需要相对轻巧。上肢功能障碍严重影响患者的日常生活独立性，其成因包括骨科问题和神经系统疾病，如脑卒中和多发性硬化症。康复机器人，特别是能够精确控制各自由度的外骨骼，在解决医务人员短缺、支持家庭远程康复方面具有显著优势。作为至少部分可穿戴的设备，外骨骼受益于轻量化结构。为了实现最低质量同时保持所需的耐久性和强度，需要在设计过程中运用优化方法，如参数优化和拓扑优化。然而，将基于真实测量的运动记录与拓扑优化、参数优化相结合的康复设备设计方法尚未得到广泛研究和应用，这正是本研究旨在填补的研究空白。
通用方法论
本研究的目标是使用数值方法（包括结合多体动力学模拟和多步有限元法优化）最小化SmartEx-Home外骨骼的质量。整个过程基于用于机器人辅助物理治疗的真实测量运动，因此优化过程专用于该设备的具体应用。该方法论主要包括六个阶段。初始设计基于人体上肢的测量学建模，旨在为肩部和肘部关节提供全方位的活动性。随后，定义了用于任务导向运动疗法的一组动作，并使用惯性测量单元（IMU）进行记录和处理，以作为外骨骼模型的关节变量输入。这些数据用于逆动力学模拟，以计算机器在运动中各特征点（如设备运动段之间的接口以及作用于肢体的外骨骼附着点）的合成力和力矩。获得的参数用于进一步的有限元法模拟。有限元计算包括初步强度验证、初始参数优化、拓扑优化以及最终参数优化。为了清晰度和可重复性，完整的过程流程如图2所示，而每个阶段的输入和输出则在表2中明确定义。
多体分析
多体模拟模型基于记录的运动轨迹进行动态测试，从而深入了解电机的扭矩需求和内部载荷，为后续的强度模拟提供支持。该模型利用Simulink、Simscape Multibody等工具构建，并导入了在Autodesk Inventor 2021中设计的3D模型。运动建模方面，使用四个IMU传感器记录反映ADL的上肢运动，经过数据处理得到MBS模型中的关节旋转时间序列。模型构建完成后，其输入值为定义系统计划运动的各关节角度轨迹，输出值则包括实现期望运动所需的主动自由度驱动扭矩，以及反映真实条件的、作用于单个部件的机械载荷（力和力矩向量）。
临界工况选择
从多体模拟中选取临界力集用于后续的结构分析和优化。选择过程简化，仅基于力和扭矩的大小而不考虑应变或应力值。分析包括独立检查每个节段关节中的反作用力轨迹，并选择临界反作用力集。首先识别关节处力的最大分量值。接着，确定每个关节的力和扭矩范数的最大值，并使用一秒移动平均对范数曲线进行平滑处理，以识别其平均范数达到最大值的区间。随后，将选定的临界力和扭矩区间归一化到[0,1]范围，并根据公式计算一个新的指数pCi(t)，以确定一个时间区间，在该区间内力和扭矩同时尽可能接近其峰值。理想情况下，当pCi(t*) = 1时达到理论最大值。最终处理步骤为整个多体系选择临界反作用力集，这涉及到确定一个时间区间，在该区间内，身体内所有关节的力和扭矩范数同时接近其最大值。计算根据公式进行，其中pBj(t)代表第j个身体的新非物理指数，而n是身体内的关节数量。
