新型传感器集成离合器的设计及其在准被动背部外骨骼中的应用

2025-02-26 Wed
学术背景在现代工作环境中，尤其是涉及重复性搬运和弯腰的行业，腰部损伤是一种常见且代价高昂的职业健康问题。根据统计，腰部损伤占美国所有职业性肌肉骨骼损伤的35%。尽管通过人体工程学控制（如减少某些物料搬运任务）可以降低风险，但在许多情况下，完全消除风险暴露并不可行。因此，开发能够辅助工人减轻腰部负担的技术显得尤为重要。
外骨骼（Exoskeletons）和外骨骼服（Exosuits）是近年来兴起的一种可穿戴技术，能够通过提供辅助力来减少腰部损伤的风险。准被动外骨骼（Quasi-passive exos）结合了被动外骨骼的轻便性与主动外骨骼的灵活性，能够在需要时提供辅助力，而在不需要时保持不干扰用户的状态。然而，现有的准被动外骨骼离合器在设计上存在一些局限性，特别是传感和控制能力不足，限制了其在实际应用中的潜力。
为了解决这一问题，研究团队设计并评估了一种新型传感器集成离合器，旨在扩展准被动背部外骨骼的功能，包括力传感、姿势传感和多种模式切换。这项研究的成果不仅为外骨骼技术的进一步发展提供了新的思路，也为实际工作场景中的腰部保护提供了更有效的解决方案。
论文来源这篇论文由Paul R. Slaughter、Shane T. King、Cameron A. Nurse、Chad C. Ice、Michael Goldfarb和Karl E. Zelik共同撰写，所有作者均来自Vanderbilt University。该研究得到了National Institutes of Health（资助号：R01EB028105）和NSF Graduate Research Fellowship的支持。论文已发表在IEEE Transactions on Biomedical Engineering上，并于2024年5月被接受发表。
研究流程1. 设计目标与方法研究团队首先明确了设计目标：开发一种新型离合器，使其在保持准被动外骨骼核心功能的同时，增加力传感、姿势传感和模式切换的灵活性。为了实现这一目标，团队设计了一种集成编码器、电磁阀、惯性测量单元（IMU）和微处理器的离合器。该离合器能够在离合器处于“接合”模式时估计外骨骼的辅助力，在“断开”模式时监测用户的姿势，并实现多种模式切换。
2. 离合器原型设计与验证离合器原型由铝制基板、卷轴堆栈（包括铝制卷轴、不锈钢转子弹簧、铝制卷轴盖和钢制链轮）以及电磁阀组成。电磁阀用于控制离合器的接合与断开。在“断开”模式下，卷轴堆栈可以自由旋转，允许钢缆从卷轴上展开；而在“接合”模式下，卷轴堆栈被锁定，钢缆无法展开。
团队还集成了高分辨率编码器和IMU，用于测量卷轴的旋转角度和用户的姿势。编码器通过测量卷轴的旋转来估计用户的躯干-大腿屈曲角度，而IMU则通过加速度和陀螺仪信号来估计躯干的方向。
3. 实验验证为验证离合器的性能，研究团队进行了台架测试和人体验证实验。
台架测试台架测试包括测量离合器在“断开”模式下的钢缆张力、模式切换时间以及离合器在“接合”模式下承受的最大力。结果显示，离合器在“断开”模式下的钢缆张力为7-20 N，远低于设计目标32 N；模式切换时间平均为0.05秒（断开）和0.10秒（接合），满足1秒的设计目标；离合器在“接合”模式下能够承受350 N的力，符合设计目标。
人体验证实验六名健康参与者（3男3女，平均年龄26岁）佩戴了集成新型离合器的背部外骨骼，并在弯腰和蹲下任务中进行了测试。实验期间，团队使用运动捕捉系统和负载单元同步记录离合器的传感器数据和实验室仪器的测量数据。
结果表明，离合器在“接合”模式下能够以平均8.8 N的误差（对应腰椎扭矩0.9 Nm）估计外骨骼的辅助力，并在“断开”模式下以平均6.7°的误差估计躯干-大腿屈曲角度。此外，离合器成功实现了基于IMU数据的模式切换，展示了其控制的多样性。
4. 数据处理研究团队使用MATLAB对编码器数据进行了处理，建立了线性回归模型，用于估计外骨骼的辅助力和躯干-大腿屈曲角度。模型分为两类：针对单个参与者的特定模型和针对多个参与者的通用模型。结果显示，特定模型的平均误差为8.0 N（辅助力）和4.6°（角度），而通用模型的平均误差为8.8 N和6.7°。
研究结果与结论主要结果辅助力估计：离合器在“接合”模式下能够以平均8.8 N的误差估计外骨骼的辅助力，满足设计目标。
姿势估计：离合器在“断开”模式下能够以平均6.7°的误差估计躯干-大腿屈曲角度，接近设计目标。
模式切换：离合器能够在0.05-0.10秒内完成模式切换，满足1秒的设计目标。
通用性与实用性：通用模型的误差略高于特定模型，但仍在实际应用中具有较高的可用性。
结论研究团队成功设计并验证了一种新型传感器集成离合器，扩展了准被动背部外骨骼的功能。该离合器不仅能够提供腰部辅助力，还能监测用户姿势并实现多种模式切换。这一设计为外骨骼技术的进一步发展提供了新的思路，并在实际工作场景中具有广泛的应用前景。
研究亮点多功能集成：离合器集成了力传感、姿势传感和模式切换功能，显著提升了准被动外骨骼的实用性。
高效控制：离合器能够在极短的时间内完成模式切换，确保用户在不同任务中的灵活性和舒适性。
通用性设计：通过建立通用模型，离合器能够适应不同用户的需求，增强了其在实际应用中的可用性。
其他价值信息研究团队还指出，未来的工作可以集中在开发完全便携的硬件和更强大的控制算法上，以进一步提升该离合器的性能和应用范围。此外，该设计为外骨骼技术的商业化提供了新的可能性，特别是在需要精确辅助力和姿势监测的工业场景中。
总结这项研究通过设计并验证一种新型传感器集成离合器，为准被动背部外骨骼的功能扩展提供了重要突破。该离合器不仅能够有效减轻用户的腰部负担，还能通过精确的力传感和姿势监测，为用户提供更安全、更灵活的工作体验。这一成果为外骨骼技术的研究和应用开辟了新的方向，具有重要的科学价值和实际应用意义。