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多功能便携式外穿服可协助步行和跑步

2022年04月29日 福建机械设备网

多功能便携式外穿服可协助步行和跑步

从悠闲散步到终生奔跑,人的步态可涵盖多种速度。通常,我们选择的步态允许我们以给定速度消耗最少的能量。例如,在低速下,步行的代谢率低于慢跑时的代谢率中国机械网okmao.com。反之亦然,在高速行驶中,跑步的代谢率低于速度行走时的代谢率。

学术和工业实验室中的研究人员以前已经开发出了用于康复和其他生活领域的机器人设备,这些机器人设备可以帮助步行或跑步,但是没有束缚的便携式设备不能有效地同时实现这两种功能。协助步行和跑步由于两个步态的生物力学根本不同,因此设备来具有挑战性。

但是,两种步态的共同点都是髋关节的延伸,这种延伸在脚接触地面时开始,并且需要大量的能量来推动身体向前。

正如《科学》杂志今天报道的那样,哈佛大学怀斯生物启发工程研究所和约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)以及内布拉斯加大学奥马哈大学的一组研究人员现在已经开发出一种便携式步态防护服,可以帮助步态在步行和跑步过程中特定的髋关节伸展。

他们的轻便外套由腰部和大腿上穿着的纺织部件制成,并附接到下背部的移动致动系统,该系统由一种算法控制,该算法可以可靠地检测从步行到跑步,反之亦然。

该团队首先表明,与不使用该设备行走和跑步的用户相比,在基于跑步机的室内测试中,用户所穿的防护服平均可将行走的新陈代谢率降低9.3%,将跑步的新陈代谢率降低4%。

主持这项研究的Conor Walsh博士说:“我们很高兴看到该设备在上坡行走,不同的跑步速度以及在室外进行地面测试时也表现良好,这表明了该系统的多功能性。” 沃尔什(Walsh)是威斯研究所(Wyss Institute)的核心教员。

SEAS工程与应用科学系的戈登·麦凯(Gordon McKay)教授,也是哈佛生物设计实验室的创始人。“虽然我们发现新陈代谢的减少幅度不大,但我们的研究表明,便携式可穿戴式机器人不仅可以完成一项活动,还可以提供帮助,

该视频演示了在不同的自然环境中使用辅助髋关节防护服的过程,并演示了机器人设备如何在步行和跑步过程中感测质心的步态特定垂直运动的变化,从而快速调整其动作。

这款髋关节防护服是美国国防高级研究计划局(DARPA)以前的Warrior Web程序的一部分,是该团队多年研究和优化软质防护服技术的结晶。该团队先前开发的多关节防护服可以在步行过程中对髋部和踝部提供帮助,并且通过与ReWalk的合作,该医用防护服的医学版本旨在改善中风幸存者的步态康复能力。机器人技术。

与过去的多关节外穿服相比,该团队最新的髋关节外穿服设计得更轻巧。它通过电缆致动系统为穿戴者提供帮助。驱动电缆在腰带和大腿包裹物之间施加拉力,以在髋关节处产生与臀肌协同工作的外部延伸扭矩。该设备重5kg,其重量的90%以上位于身体的质心附近。

沃尔什小组SEAS研究生的第一作者之一金索(Jinsoo Kim)说:“这种集中重量的方法与灵活的服装界面相结合,最大程度地减少了对穿着者的精力负担和运动限制。” “这对于走路很重要,但对于四肢来回运动得更快的跑步来说,这一点尤其重要。”

轻巧的多功能外衣在上山行走时以及在自然地形中以不同的跑步速度协助髋关节伸展。

团队必须解决的主要挑战是,外装服必须能够区分步行和跑步步态,并在步态周期的正确时间提供适量的协助,从而相应地改变其致动曲线。

为了解释步态周期中的不同动力学,生物力学家经常将步行与倒立摆的运动与奔跑与弹簧质量系统的运动进行比较。在行走过程中,后跟撞击后,身体的质心向上移动,然后在站立阶段的中间达到最大高度,并在站立阶段结束时下降。在跑步中,质心的运动是相反的。在姿态阶段的中间,它向最小高度下降,然后向上向下推。

“我们利用这些生物力学的见识,开发了受生物学启发的步态分类算法,该算法可以通过使用附着在人体上的传感器监控个人质心的加速度,来可靠而可靠地检测从一种步态到另一种步态的转变。”

通讯作者菲利普·马尔科姆(Philippe Malcolm)博士,内布拉斯加大学奥马哈分校的助理教授说。“一旦检测到步态转换,该外装服便会自动调整其启动曲线的时间以帮助其他步态,正如我们通过其减少穿戴者代谢氧气消耗的能力所证明的那样。”

在正在进行的工作中,该团队致力于优化技术的各个方面,包括进一步减轻重量,个性化协助和提高易用性。

沃尔什说:“看到我们的方法已经取得了很大的成就,我们感到非常满意,我们很高兴继续将其应用于一系列应用中,包括帮助步态障碍者,有受伤危险的工业工人进行剧烈的身体活动。任务或休闲周末战士。”

Wyss研究所说:“来自Wyss研究所的生物启发式软机器人平台的这项突破性研究使我们瞥见了未来,可穿戴式机器人设备可以改善健康状况,并为受伤或需要康复的人们提供服务。”

创始董事Donald Ingber博士,他还是HMS的Judah Folkman血管生物学教授,波士顿儿童医院的Vascular Biology Program和SEAS的生物工程学教授。

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