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【前沿】新型輕巧,便攜式機器人服,可提高跑步和步行性能

2019-10-22 11:00 性質:轉載 作者:中國機器人網 來源:中國機器人網
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前言 機器人服或許比外骨骼更簡單實用對于大多數人來說,步行似乎不是負擔,但對于少部分人來說,這項簡單的任務卻常常讓他們感到筋疲力盡。例如對于從手術或中風中恢復過來的患者,帕金森氏病患...

前言  機器人服或許比外骨骼更簡單實用

對于大多數人來說,步行似乎不是負擔,但對于少部分人來說,這項簡單的任務卻常常讓他們感到筋疲力盡。例如對于從手術或中風中恢復過來的患者,帕金森氏病患者,行動不便的患者,甚至對于在困難的地形上行走,跑步或奔跑的士兵或消防員來說,大量步行也是一件艱辛的事情。

多年來,許多研究人員一直在思考這個問題,也開發了許多外部設備,這些設備一旦被用戶佩戴,便可以比通常情況下更輕松地移動,行走和運行。這些年來,已經開發出各種各樣的“機器人外骨骼”或機器人服,以減少步行和跑步時用戶的能量消耗(或新陳代謝率)。然而,到目前為止,正如中安大學的Giuk Lee教授說的那樣:“機器人外骨骼往往笨重;當步行實驗顯示出令人鼓舞的結果時,隨著設備重量增加,機器人協助跑步所消耗的能量超過了機器人帶來的便利。”

正如李教授及其同事在《科學》雜志上發表的論文中所解釋的那樣,問題在于“走路和跑步具有根本不同的生物力學,這使得開發能夠同時幫助步態的裝置具有挑戰性。” 為了應對這一挑戰,科學家展示了他們新開發的外衣,主要由織物背心,皮帶和大腿包裹物制成,就像我們在日常生活中穿的衣服一樣。這些組件通過電線連接,并裝有電池和類似電動機的裝置(執行器)。該設備重量僅為5千克,可方便地安裝在腰部周圍,以幫助髖部伸展肌肉并允許更大范圍的運動。更重要的是,這種防寒服可以在步行和跑步步態之間自動切換輔助模式,以實現最大的輔助效率。

科學家們在不同地形的跑步機和戶外跑道上測試了他們的原型,以研究在不同條件下穿外衣所節省的能源。他們使用一種算法對步態(步行或跑步)進行分類,該步態向設備提供了反饋并相應地調整了輔助模式。這使得穿著防護服的人可以將執行器啟動的運動與算法確定的步態相匹配,從而最大程度地節省能量。室內和室外測試表明,該算法能夠在超過99.98%的時間內正確識別步行和跑步步態。

一旦他們確認了算法的準確性,科學家便研究了外衣的輔助功能所節省的新陳代謝。他們發現,穿外衣輔助可以將以1.5米/秒(4.8公里/小時)的速度行走時的能源成本降低9.3%,相當于用戶減少7.4千克。他們還成功地確保了跑步任務(每秒2.5米或每小時9公里的速度)期間的節能,其中輔助功能使新陳代謝率降低了4%,相當于減輕了5.7公斤的體重。這種節能措施似乎微不足道,但據李教授及其同事說:“盡管新陳代謝率發生了變化,相對適中,它們的大小與已被證明足以改善最大步行和跑步性能的大小相似。因此,我們認為,這些節能措施可能會導致最大性能的成比例提高,例如在越野過程中。”

最終,與以前的護膝服完全依靠膝蓋功能不同,該新設備使用髖關節伸展來驅動腿部運動,這使得護膝服特別適合膝蓋以上的截肢者和其他缺乏完整膝蓋功能的人。通過利用髖關節伸展的力量,這種機器人套裝的用戶將能夠在各種地形中實現更高的運動表現,并根據需要在跑步和步行之間無縫切換。

最后,李教授說:“我們期望這種“可穿戴機器人”將有很多用途,例如用于幫助老年患者進行康復訓練以及提高士兵或消防員的工作效率。從長遠來看,我們可以設想這種防護服就像一直掛在衣柜里一樣,就像我們每天穿的衣服一樣。”

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