经典案例
机械外骨骼中的恒力悬浮背包研究
哈尔滨工业大学
机械外骨骼、悬浮背包、外骨骼机器人
背有背包的测试人员

随着科技水平的提高,可穿戴设备发展十分迅速。传统的背包虽然可以起到辅助搬运的作用,但仍产生较大的体力消耗,因此有大量提高人运动和负载能力外骨骼机器人产品涌现。

目前存在的很多外骨骼机器人可以实现将负载的静态载荷传递到地面并辅助人体行走,但在行走过程中会因为人体重心上下移动导致负载的惯性力,这种力会使人体产生额外的能耗,对于行军或户外科考等大负载长距离的场景的使用带来困难。

图一.jpg

哈尔滨工业大学的研究团队开展了可以适应各种负载重量和人体运动频率的悬浮背包装置相关研究。由于现有悬浮背包使用时,负载质量或人体运动频率改变时,系统悬浮效果都会发生较大的变化。研究人员首先根据人体运动情况进行人体质心运动学建模和下肢等效建模,为设计悬浮背包提供了理论基础。

图二.jpg

为了验证模型的准确性,研究人员采用NOKOV度量动作捕捉系统来测量人体质心的运动轨迹。测试时,在测试人员的腰部质心附近粘贴3个反光标识点,分别5km/h、7km/h、9km/h 的速度在跑步机上运动,利用布置在跑步机周围的8个NOKOV动作捕捉镜头,来获取质心运动数据。

图三.jpg

将NOKOV度量动作捕捉系统获取的质心数据导入至Matlab中进行处理,得到的人员中心轨迹与预测模型轨迹进行对比,可以看出低速运动时,预测曲线与人体质心实际运动曲线有较高的拟合程度;高速运动时虽然拟合效果不理想,但整体趋势为正弦运动,差别与测试人员步态有关。模型可以较好地表示人体运动过程的质心位移变化。

图四.jpg

基于上述模型,研究人员开发了一种轻型化、可调负载、适用范围广的主被动结合的恒力悬浮背包装置,并建立了恒力悬浮背包装置实验系统,完成了恒力机构平衡测试、惯性力测试、人体能量代谢测试以及动作适应性测试等试验,各项测试结果均满足指标要求,验证了恒力悬浮背包设计的合理性和控制策略的有效性,有效地减少了惯性力对人体的影响,减少了人体的能量代谢消耗。

参考文献[1]巨浩天. 恒力悬浮背包动态卸荷技术研究[D].哈尔滨工业大学,2021.

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