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基於區域充氣和體積轉移設計兼具效率和可穿戴性的織物氣動外骨骼


核心概念
本文提出了一种新型的织物气动外骨骼设计方法,结合区域充气和体积转移的概念,在提升效率和可穿戴性方面取得了显著成果。
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摘要 本文介绍了一种新型织物气动外骨骼的设计理念和制造方法,该外骨骼结合了区域充气和体积转移的概念,旨在提高效率和可穿戴性。 主要内容 研究背景 织物气动外骨骼由于其良好的人机交互性能而具有广阔的应用前景,但其结构设计范式尚未最终确定,需要深入研究。 现有的织物气动外骨骼设计存在两个主要问题:一是气动系统的效率和响应速度有待提高,二是外骨骼的可穿戴性需要进一步提升。 设计理念 **区域充气:**将气动外骨骼的充气区域划分为充放气区和充气保持区,以减少压缩空气的消耗并提高效率。 **体积转移:**一种服装内部充气区域的策略性分配方法,可以有效提高外骨骼的可穿戴性。 制造方法 使用廉价的热塑性聚氨烷薄膜和服装面料,通过热压和缝纫制成外骨骼。 性能评估 **数学模型:**建立了一个数学模型来预测外骨骼的输出扭矩,误差为3.6%。 **机械实验:**机械实验表明,外骨骼在100kPa的压力下输出扭矩为9.1Nm,响应时间为0.5s。 **表面肌电图实验:**表面肌电图实验表明,外骨骼可以为用户提供从坐姿到站姿的助力,肌电信号平均减少14.95%。 创新点 首次将区域充气和体积转移相结合,设计出完全柔软的外骨骼,实现了效率和可穿戴性的有机结合。 主要结论 本文提出的外骨骼设计理念和制造方法为织物气动外骨骼的设计提供了一种新的思路,有望成为一种理想的范式。 未来研究方向包括开发配套的便携系统,使外骨骼能够应用于更多场景。
統計資料
外骨骼的响应时间为0.5秒。 外骨骼的应力面积为1500平方毫米。 外骨骼的外形尺寸仅为32毫米。 数学模型预测外骨骼输出扭矩的误差为3.6%。 机械实验测得外骨骼的最大输出扭矩为9.1牛米。 表面肌电图实验显示,使用外骨骼后,相关肌肉活动平均减少了14.95%。

深入探究

如何将区域充气和体积转移的设计理念应用于其他类型的辅助设备,例如上肢外骨骼或全身外骨骼?

将区域充气和体积转移的设计理念应用于上肢外骨骼或全身外骨骼,需要根据具体应用场景和人体工程学进行调整,但核心思想保持一致: 1. 上肢外骨骼: 区域充气: 可以将上肢外骨骼的充气区域划分为肩部、肘部、腕部和手指等多个独立控制的区域。例如,在抓取动作中,可以选择性地对手指区域进行充气,提供抓握力辅助;而在搬运重物时,则可以对肩部和肘部区域进行充气,提供支撑力和力量增强。 体积转移: 可以根据上肢的解剖结构,将充气区域合理分布,例如将肱二头肌和肱三头肌对应区域设计成相互配合的充气单元,模拟肌肉的协同工作方式,提高运动效率和舒适度。 2. 全身外骨骼: 区域充气: 可以将全身外骨骼的充气区域划分为躯干、髋关节、膝关节和踝关节等多个独立控制的区域。例如,在行走过程中,可以根据步态周期,对不同区域进行时序控制的充气和排气,实现步态辅助和能量回收。 体积转移: 可以将充气区域从传统的沿肢体轴向分布,转变为更贴合人体肌肉走向的网状分布,例如将背部、臀部和大腿后侧的充气区域连成一体,形成一个提供支撑力和力量传递的整体。 总而言之,区域充气和体积转移的设计理念可以根据不同的应用场景和人体部位进行灵活调整,其目标是在保证辅助效果的同时,最大限度地提高外骨骼的舒适性和穿戴性。

在实际应用中,如何解决织物气动外骨骼的耐用性问题,例如如何防止织物磨损和气动元件老化?

解决织物气动外骨骼的耐用性问题,需要从材料选择、结构设计和维护保养等多方面入手: 1. 材料选择: 高强度耐磨织物: 选择具有高强度、耐磨损、抗撕裂特性的织物材料,例如Cordura尼龙、Kevlar纤维等,可以有效提高外骨骼的使用寿命。 抗老化气动元件: 选择使用耐高温、耐腐蚀、抗氧化材料制成的气动元件,例如特种橡胶、工程塑料等,可以延长气动元件的使用寿命。 2. 结构设计: 减少摩擦点: 在外骨骼的结构设计中,应尽量减少织物与人体、织物与气动元件之间的摩擦,例如使用光滑的衬里、合理的走线方式等,可以有效减少织物磨损。 模块化设计: 采用模块化设计,将易损部件设计成可拆卸、可更换的模块,方便维修和更换,可以延长外骨骼的整体使用寿命。 3. 维护保养: 定期清洁: 定期对外骨骼进行清洁,清除灰尘、汗液等污垢,可以防止织物老化和气动元件腐蚀。 定期检查: 定期检查外骨骼的织物是否有磨损、气动元件是否有老化等情况,及时进行维修或更换,可以保证外骨骼的正常使用。 通过以上措施,可以有效提高织物气动外骨骼的耐用性,延长其使用寿命,降低维护成本。

除了提供物理辅助之外,未来的外骨骼能否与人体感知系统和认知能力更深度地融合,例如通过生物反馈或脑机接口技术实现更智能、自然的人机交互?

未来的外骨骼发展方向,必然是朝着与人体更加深度融合的方向发展,而生物反馈和脑机接口技术将扮演至关重要的角色: 1. 生物反馈: 运动意图识别: 通过采集用户的肌电信号 (EMG)、脑电信号 (EEG) 或眼动追踪数据,可以识别用户的运动意图,并将其转化为外骨骼的控制指令,实现更加精准、自然的辅助效果。 自适应调节: 根据用户的生理指标,例如心率、呼吸频率、肌肉疲劳程度等,实时调整外骨骼的辅助力度和运动模式,提供更加个性化、舒适的穿戴体验。 2. 脑机接口: 直接控制: 通过解码大脑运动皮层的活动,可以实现对外骨骼的直接控制,例如用意念控制外骨骼完成行走、抓取等动作,为瘫痪患者提供更加灵活、自主的行动能力。 感知增强: 将外骨骼的传感器信息,例如触觉、温度、压力等,反馈给用户的大脑,可以增强用户的感知能力,例如让用户感受到虚拟环境中的物体,或帮助用户更好地感知自身运动状态。 3. 融合发展: 未来,生物反馈和脑机接口技术将与外骨骼技术深度融合,创造出更加智能、自然的人机交互方式,例如: 基于EMG和EEG信号融合的混合控制,可以提高运动意图识别的准确性和鲁棒性。 结合虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR) 技术,可以为用户提供更加沉浸式的训练和娱乐体验。 总而言之,未来的外骨骼将不再是简单的辅助工具,而是与人体感知系统和认知能力深度融合的智能伙伴,为人类带来更加便捷、高效、健康的生活体验。
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