基于柔性氣壓驅(qū)動器的可穿戴式腰部助力機器人研究

李向攀 韓建海 郭冰菁 張彥斌 趙菲菲 則次俊郎

基于柔性氣壓驅(qū)動器的可穿戴式腰部助力機器人研究

李向攀1韓建海1郭冰菁1張彥斌1趙菲菲2則次俊郎2

針對老齡化社會對于康復和看護助力搬運的需要,提出了用氣壓驅(qū)動器實現(xiàn)輕量、柔性助力、穿戴舒適的可穿戴式腰部助力機器人.機器人采用無外骨骼的結構設計,可以給護理人員在提升重物和靜態(tài)保持作業(yè)時輸出腰部所需助力,降低下腰痛(Low back pain,LBP)致病風險.通過對重物搬運作業(yè)中穿戴者豎脊肌表面肌電信號(Surface electromyography,sEMG)評估、基于測力平臺最大搬舉重量測試、靜態(tài)彎腰負重作業(yè)下人體重心(Center of gravity,COG)移動軌跡等相關實驗,驗證了助力有效性.

可穿戴式,助力機器人,柔性氣壓驅(qū)動器,外骨骼

DOI10.16383/j.aas.2016.c160211

近年來,我國人口老齡化程度日益加深,老年人口撫養(yǎng)比從2000年的9.9%增加到2014年的13.7%[1].由于社會老齡化和低出生率,社會所能提供的從事護理工作的勞動者數(shù)量不足,老年人的生活保障和醫(yī)療護理問題越來越突出,將成為一個深刻的社會問題亟待解決.目前翻身、移乘、移動、入浴、排泄等看護作業(yè)動作對看護人員造成了較大的體力負擔,國外有關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,大約70%的臨床護理工作人員受到下腰痛的癥狀困擾[2].研究基于高齡老人生活支援和看護現(xiàn)場需要為目的的服務型機器人意義重大,將機器人技術應用于日常生活、看護現(xiàn)場支援服務的穿戴式助力機器人研究已經(jīng)成為國際上許多大學及相關機構的研究熱點.發(fā)展服務機器人戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),對促進我國機器人自主創(chuàng)新體系的建立,適應機器人進入千家萬戶的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢,將產(chǎn)生深遠的影響,對應對我國老齡化社會、建設和諧社會等,具有重要的戰(zhàn)略性、前瞻性和引導性意義[3].

美國、日本等國家的許多大學及研究機構都開展了可穿戴式機器人技術研究并取得了許多有價值的成果.可穿戴機器人根據(jù)應用的場合和實現(xiàn)的功能分為感知型外骨骼機器人和助力、康復型外骨骼機器人.感知型外骨骼機器人主要是感知穿戴者肢體的動作信息,并傳遞給外界,同時通過力反饋、觸覺反饋、視覺反饋等方式將外界環(huán)境信息回饋給穿戴者,實現(xiàn)遙控操作目的[4].

基于助力或康復目的的應用是可穿戴機器人研究的另一個主要內(nèi)容,目前主要應用于減輕穿戴者體力負擔為目的或臨床康復訓練治療等應用場合[5?6].為應對少子老齡化社會的需求,日本相關大學較早著手基于看護和生活支援為目的的穿戴式助力裝置的開發(fā)和研究.主要是圍繞神經(jīng)功能障礙患者行走功能康復訓練、老年人行走助力、以及醫(yī)院護理人員搬運臥床患者時提供助力為目的等民用研究.其中神奈川工科大學山本研究室的穿戴式助力服Power assist suit[7]、筑波大學山海研究室的Hybrid assistive leg(HAL)混合動力外骨骼助力裝置[8?9]、東京理科大學小林研究室采用MacKibben人工肌肉作為驅(qū)動器的肌肉助力服Muscle suit[10?11]等研究成果比較突出.美國加利福尼亞大學伯克利分校研制的可穿戴式外骨骼機器人BLEEX[12?13],受美國國防部高級研究計劃局(Defense advanced research projects agency,DARPA)資助,能減輕施加于穿戴者自身的負擔主要是基于軍用目的.國內(nèi)對于可穿戴式機器人的研究主要應用于下肢行走功能的助力和康復訓練,例如中科院合肥智能機械研究所[14]、上海大學[15]、浙江大學[16]、東南大學[17]、河南科技大學[18]等國內(nèi)高校的相關研究.

基于外骨骼穿戴式助力機器人雖然能夠輸出較大的助力,但由于其龐大的外骨骼框架,使得系統(tǒng)整體重量增大.對穿戴者來說,外骨骼會限制人體非助力自由度的活動范圍,由于人體自身骨關節(jié)特殊的生理結構與外骨骼的機構設計不容易完全相匹配[19],在運動過程中易發(fā)生干涉引起穿戴者的不適感,增加了機構設計難度和結構的復雜性[20].另一方面外骨骼式機器人與穿戴者共處同一環(huán)境下作業(yè)時,由于外骨骼材料的高剛性、低柔順性,為保證安全加大了控制方案的難度.因此,近年來,基于仿生學原理采用柔性材料進行柔性機器人設計和控制的研究日益增加.不同于預先編程執(zhí)行有限任務作業(yè)的工業(yè)機器人,新一代的仿生機器人顯示了與人在多種不可預知的環(huán)境下安全平穩(wěn)相處的優(yōu)點[21?22].2013年DARPA發(fā)布的研究計劃(Warrior web task B)要求,下一代的可穿戴式助力機器人要能夠?qū)崿F(xiàn)類似貼身內(nèi)衣式的輕量、柔性設計[23],目的是幫助士兵減少損傷和疲勞,提高能力來有效地執(zhí)行他們的任務,也可以用于康復、理療或那些旨在幫助老人提高生活質(zhì)量的輔助助力等可穿戴應用場合.哈佛大學維斯生物工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)的Walsh在DARPA資助下,開展了柔性助力服(Soft exosuit)的研究,采用氣動人工肌肉實現(xiàn)下肢各個關節(jié)的助力行走[24].為了降低下腰痛的風險同時提高系統(tǒng)的柔性,還有一些相關研究機構專門對腰部助力裝置進行了研究,開發(fā)出的各種穿戴式腰部助力裝置,代表性的有日本北海道大學田中研究室開發(fā)的Smart suit lite[25?26]和加拿大皇后大學的PLAD[27?28].這些設備僅僅圍繞腰部或脊柱關節(jié)進行助力,根據(jù)采用的驅(qū)動器不同可以分成主動型助力(采用直流電機)和被動型助力(采用彈性材料)兩種類型.對于采用電機驅(qū)動的腰部助力設備來說,直流電機只能輸出旋轉(zhuǎn)力矩,必須通過額外的機械傳動機構進行轉(zhuǎn)換,才能實現(xiàn)腰部活動所需的助力.因此設備的整體結構不能較好滿足人體穿戴所需的柔性,同時安全性能存在不足.對于采用彈性材料作為驅(qū)動的被動型裝置,通過利用彈性材料在屈曲動作中的拉伸來存儲人體重力勢能,然后在人體恢復伸展過程中回饋輸出助力.由于缺少外部能量的補助,通常系統(tǒng)所能輸出的助力不夠大,且不能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)來應對外部負載動態(tài)變化.利用氣壓驅(qū)動器柔性、輕量、輸出力大、人機交互安全性好、適合穿戴應用的特點,本研究設計了基于柔性氣壓驅(qū)動器的可穿戴腰部助力機器人,對穿戴者腰部動作進行助力,來滿足護理醫(yī)療現(xiàn)場對降低下腰痛職業(yè)病風險的應用需求.本文主要介紹了腰椎助力生物力學模型、腰部助力機器人驅(qū)動配置原理、柔性驅(qū)動器的力輸出特性,并通過對重物搬運作業(yè)中穿戴者豎脊肌表面肌電信號評估、基于測力平臺最大搬舉重量測試、靜態(tài)彎腰負重作業(yè)下人體重心移動軌跡等相關實驗驗證了助力有效性.本文結構如下:第1節(jié)對腰部助力機器人本體、助力驅(qū)動生物力學模型、柔性氣壓驅(qū)動器進行介紹;第2節(jié)通過有無穿戴助力機器人作業(yè)時三個相關實驗,對穿戴助力效果進行了有效性驗證.

1 可穿戴式腰部助力機器人

1.1 腰部助力機器人本體

考慮到可穿戴柔性助力的要求,系統(tǒng)沒有采用外骨骼結構,因此整體重量輕,可以像通常服裝那樣穿戴在人體上,在提升重物作業(yè)或者靜態(tài)保持作業(yè)情況下對于背部輸出支撐力,降低下腰痛的風險.圖1為本文開發(fā)的腰部助力機器人本體.在背部矯正帶的基礎上,腰部助力機器人配置有兩種氣壓驅(qū)動器.驅(qū)動器1在背部矯正帶外層,兩端分別固定于肩部和大腿處,由5根并行配置的伸長型氣動人工肌肉組成,主要輸出與背部豎脊肌同樣的收縮力;驅(qū)動器2在背部矯正帶腰部內(nèi)夾層,由2個TPU材料組成的氣囊疊加而成.整個裝置的重量為0.8kg.

1.2 腰部助力機器人助力輸出機理

腰椎位居軀干中部,是脊柱運動的樞紐,其穩(wěn)定與否直接影響著脊柱活動及下腰痛(Low back pain, LBP)的發(fā)生.在靜止時,脊柱的穩(wěn)定結構主要是椎間盤、小關節(jié)及后部韌帶結構,運動時的動力穩(wěn)定結構主要是腰背肌.由于工作中從事搬運患者、頻繁彎腰和扭轉(zhuǎn)、長期保持彎腰進行護理作業(yè),造成背部肌肉及軟組織勞損,引起脊柱失穩(wěn)從而導致下腰痛的臨床表現(xiàn),成為護理人員中最常見的職業(yè)病.

圖1 腰部助力機器人Fig.1 Power assist robot for low back support

圖2為屈曲前傾狀態(tài)下舉起重物過程中,人體脊柱腰骶關節(jié)(L5/S1)處生物機械力學模型,該狀態(tài)下可以將人體脊柱看作裝配于人體骨盆上的一個懸臂梁機構[29].在L5/S1關節(jié)處的力矩平衡由兩部分組成,一邊是人體上肢肢體重力矩mHATg(包括頭、上臂、上半身軀干肢體)和所提重物重力矩mLg組成,其力臂的大小分別是B和L,另一邊是背部豎脊肌為主的背部肌肉所產(chǎn)生的收縮力FM、腹部肌肉引起腹壓(IAP)及外部的助力FA共同作用來平衡.因此人體前屈提起重物過程中重力負載力矩將對脊柱產(chǎn)生較大作用力,該作用力沿L5/S1關節(jié)面方向可以分解成壓力FC和剪切力FS,尤其是壓力FC通常為人體體重的數(shù)倍[30].一旦超過人體所能承受的生理極限,會對腰骶關節(jié)之間的髓核造成不可逆的生理改變,使其膨出或突出壓迫神經(jīng)組織,引起下腰痛的臨床表現(xiàn)癥狀.

圖2 脊柱懸臂梁模型和助力機器人機理Fig.2 Cantilever model of spine and mechanism of power assist robot for low back support

從機械力學觀點來看,人體脊柱并不善于在前傾姿勢下進行重物提升作業(yè),由于人體背部肌肉的力臂較小,所以脊柱在此狀態(tài)下要承受較大壓力,通常為人體重量的數(shù)倍.

因此在圖2(b)狀態(tài)下,根據(jù)靜態(tài)力矩平衡關系附加外部助力作用時,可以推導出此時壓力

式中,FA為機器人輸出助力,A,E分別為機器人輸出助力和背部肌肉收縮力的等效力臂.由于力臂A始終大于力臂E,可以得出助力機器人可以提供維持平衡所需的力矩,減少L5/S1關節(jié)處的壓力.腰部助力機器人所輸出的力矩由兩個氣壓驅(qū)動器聯(lián)合提供,其中驅(qū)動器1提供了所需外部收縮力,驅(qū)動器2可以改變力臂的大小,實現(xiàn)助力輸出.同時由于驅(qū)動器2的內(nèi)部膨脹使得背部矯正帶腰帶收緊,增大腹部壓力IAP,同樣可以增大脊柱的穩(wěn)定性.

1.3 柔性氣壓驅(qū)動器

由于氣壓驅(qū)動器的柔性、輕量、輸出力大、人機交互安全性好,特別適合用于實現(xiàn)穿戴類應用[31?32].在本課題中主要采用兩類柔性氣壓驅(qū)動器,通過給定壓力條件來實現(xiàn)腰部所需的助力.

驅(qū)動器1為伸長型氣動人工肌肉,如圖3所示.外部為波紋管編織網(wǎng),內(nèi)部為橡膠管,兩端分別配有進氣口和密封堵頭.所用橡膠管外徑12.0mm,內(nèi)徑10.0mm,編織網(wǎng)最大膨脹外徑14.0mm,最小收縮外徑為4.0mm.所用材料價格低廉,驅(qū)動器可在實驗室自制完成,對于不同身高的穿戴者來說,更容易實現(xiàn)非標尺寸訂制.其驅(qū)動機理與通常McKibben氣動人工肌肉充氣收縮相反,由于外部纖維編織層相交夾角大于54.5°[33],在壓縮空氣作用下隨著壓力增加,長度變長;供給壓力越高,伸長長度變化量越大.因此其主要特點是通過加壓實現(xiàn)伸長、排氣實現(xiàn)主動收縮(肌肉主動張力),收縮率高;還可以在原長條件下實現(xiàn)被動拉伸(肌肉被動張力),這與人體生物肌肉Hill模型特性極為相似.本文用到的伸長型氣動人工肌肉,原始長度Lo=320mm,無外力作用下供給壓力500kPa,其最大長度可達到490mm,最大變化量Ld=170mm,其主動收縮率達到Ld/(Lo+Ld)=170/490=34%.

使用FGS-250PVH(NIDEC-SHIMPO,Ja-pan)數(shù)字式測力儀,不同供給壓力下伸長型氣動人工肌肉的輸出力-位移特性曲線如圖4所示.從圖4可以看出,不同壓力對應不同斜率的曲線,因此伸長型氣動人工肌肉可以看作變彈性系數(shù)的彈簧,其輸出收縮力可表示為

式中,F為輸出收縮力,k是彈簧的彈性系數(shù),與供氣壓力P和伸長變化量Ld有關.系統(tǒng)輸出力可以通過調(diào)節(jié)壓力而改變.隨著供給壓力的升高,由于內(nèi)部壓力和橡膠管的膨脹,彈簧剛度不斷增加,長度越長系統(tǒng)所蓄積的彈性勢能越多,降低壓力后對應輸出力就越大.

圖3 伸長型氣動人工肌肉Fig.3 Elongation type pneumatic rubber artifcial muscle

圖4 輸出力-長度特性Fig.4 Relationship between displacement and contractile force

系統(tǒng)工作初始狀態(tài)從圖4中A點開始(P=500kPa),由于人體屈曲前傾,驅(qū)動器1被動拉伸到達圖4中B點狀態(tài),此時單根肌肉輸出力F達到25N,整個系統(tǒng)(5根伸長型氣動人工肌肉并行配置)輸出達到125N,主要實現(xiàn)平衡人體上肢重力.當需要恢復人體站立姿態(tài)時,降低供給壓力到0kPa(即由圖4中B點狀態(tài)變?yōu)镃點狀態(tài)),單根肌肉輸出力達到最大為50N,理論上整個系統(tǒng)輸出力可達到250N.

驅(qū)動器2由兩個TPU材料制作的氣囊疊加而成,外部用尼龍材料進行包覆,整體結構如圖5,給定60kPa壓力時最大輸出推力可達到450N.該驅(qū)動器固定在背部矯正帶腰部內(nèi)層,主要目的是增加助力力臂E,力臂的大小可以通過調(diào)整不同給定壓力來進行調(diào)節(jié).

圖5 層狀氣壓驅(qū)動器結構Fig.5 Structure of layer type pneumatic actuator

2 助力性能評估實驗

2.1 控制策略

豎脊肌又名豎軀干肌,位于脊柱兩側,雙側豎脊肌的共同收縮使得脊柱后伸,是維持脊柱穩(wěn)定、平衡功能的腰背肌群中重要肌肉,也是運動中爆發(fā)力的源泉.在人體屈曲前傾過程中,人體背部豎脊肌和腹直肌等相關肌肉共同作用維持姿態(tài)的平衡.助力機器人與操作者(穿戴者)緊密接觸,共處一個空間.外部環(huán)境、穿戴者與機器人之間存在信息和能量的相互傳遞,機器人與穿戴者需要相互協(xié)作,對機器人的控制提出較高要求.實驗中為了驗證助力效果,進行了簡單作業(yè)任務下助力效果評估,所以控制方案進行了簡化.對于穿戴式腰部助力機器人,在人體屈曲和伸展動作過程中,所輸出的助力進行相應調(diào)整,其控制策略為:屈曲時氣壓驅(qū)動器1(伸長型氣動人工肌肉)的供給壓力為500kPa,人體在屈曲時不會感到阻礙作用;伸展時供給壓力為0kPa,以保證最大輸出力.

2.2 提升重物表面肌電信號評估實驗

肌電信號(Electromyography,EMG)是人體自主運動時肌肉活動發(fā)放的生物電信號,反映了肌肉的運動狀態(tài).表面肌電信號(Surface EMG,sEMG)使用方便且無痛苦,是在體表無創(chuàng)檢測肌肉活動的重要方法.由于本文提出的腰部助力機器人主要是對背部肌肉進行助力,柔性氣壓驅(qū)動器與背部豎脊肌平行配置,所以可以通過對背部豎脊肌肌電信號進行測量來評估輸出助力的有效性.為此,在提升重物過程中采集背部豎脊肌的表面肌電信號,通過對比有無穿戴腰部助力機器人時肌電信號的大小,驗證助力機器人減輕穿戴者體力負擔的效果.

圖6為重物提升實驗過程,測試者根據(jù)指示從站立位開始,屈曲前傾將面前重物(重量12.6kg)提起,同時恢復直立狀態(tài).實驗要求保持腿部膝關節(jié)直立不得屈曲;在0～4s時保持直立位;從第4s開始屈曲前傾直到60°時保持屈曲狀態(tài);第13s時聽到指令雙手提起重物保持同一狀態(tài)不動;在第18s開始雙手保持重物同時伸展腰部恢復直立站姿.實驗所用的肌電信號測試儀為Km-818MT(Mediarea support business union)型無線肌電信號儀,默認采樣周期為1ms,實驗所得數(shù)據(jù)通過下式得到表面肌電信號積分iEMG進行評估,其中積分長度N=250.上肢角度信號θT通過慣性傳感器IMU單元進行測量.

圖6 表面肌電信號評估實驗Fig.6 sEMG during lifting load experiment

實驗所得數(shù)據(jù)如圖7所示,θT為上肢角度信號,Ps為氣壓驅(qū)動器1設定壓力,Pm為實際測試壓力.通過表面肌電信號積分處理后,在實驗過程中有兩處峰值,分別是提起重物的瞬間及恢復直立站姿過程.由于腰部助力機器人的助力支援,iEMG信號分別減少大約38%和29%.

圖7 背部豎脊肌表面肌電信號評估(負載:12.6kg)Fig.7 Evaluation by measuring sEMG signal of erector spinae muscles(loads:12.6kg)

2.3 最大提升容量評估實驗

為了驗證腰部助力機器人助力效果,利用職業(yè)功能評估與康復訓練系統(tǒng)PrimusRs(BTE Technologies,USA)中的纜繩模塊,進行了地板到腰部提升模式下最大提升容量的功能評估測試實驗,如圖8所示.該裝置可以提供等速、等張、等長以及持續(xù)被動活動(Continuous passive motion,CPM)等多種模式,模擬各種作業(yè)條件下,進行功能評估、康復治療訓練等功能.在充分休息條件下,測試者雙手抓握測試纜繩模塊手柄,從下蹲位開始,到站立位為止,進行了有無穿戴助力機器人最大提升容量評估.初始提升負載以10kg為起點,模擬負載每次增加5kg,直到達到最大安全提升容量為止.

圖8 地板到腰部最大提升容量測試Fig.8 Floor to waist lifting test on PrimusRS

實驗得到負載模塊旋轉(zhuǎn)角速度和纜繩提升位移量相關數(shù)據(jù)如圖9所示.實驗數(shù)據(jù)表明,在沒有穿戴助力機器人的條件下,最大提升重量為35kg;并且隨著負載的增大,從20kg負載開始,角速度逐步降低,直到最大提升重量為止.而在穿戴腰部助力機器人條件下,最大提升重量達到40kg;并且到35kg負載為止,負載角速度基本不變.可以看出由于助力機器人的輔助助力作用,穿戴者最大提升重量、輸出功率等指標明顯提高.

圖9 最大提升重量和輸出功率Fig.9 Maximum lifting weight and output power

2.4 靜姿保持負重下重心移動實驗

人體的運動需要通過關節(jié)活動來實現(xiàn),關節(jié)活動需要肌肉收縮來產(chǎn)生動作.要使關節(jié)活動準確有效,維持關節(jié)的穩(wěn)定,需要主動肌、拮抗肌的協(xié)同作用才能完成.對于脊柱來說,包括腹直肌、腹內(nèi)斜肌、腹外斜肌、豎脊肌、腰方肌及臀部肌群在內(nèi)的整體穩(wěn)定肌群,主要功能在于共同收縮時能控制軀干的運動方向,并產(chǎn)生較大的動作力矩,對抗施加在軀干上的外來負荷,維持整個脊柱的姿勢.為了維持動態(tài)平衡,脊柱的穩(wěn)定性需要主動肌-拮抗肌協(xié)同作用,如圖10所示[34].在不穩(wěn)定坐姿條件下,相關研究表明穿戴腰骶部矯形器可以降低背部肌肉的活性[35?36].同樣對于腰部助力機器人來說,應該有類似的效果,可以降低背部肌肉的主動收縮,減少背部肌肉長期負重下的勞損.腰部助力機器人所采用的柔性氣壓驅(qū)動器1可以看成一個變彈性系數(shù)的彈簧,相對于外骨骼結構的助力機器人來說,在保持靜態(tài)作業(yè)條件下系統(tǒng)具有更好的順應性.

圖10 脊柱穩(wěn)定性需要主動肌-拮抗肌協(xié)同作用[34]Fig.10 Spine stability requires agonist-antagonist co-activation

圖11為本文為了證明腰部助力機器人對于脊柱穩(wěn)定性的作用,測試者站在測力臺上,進行的靜姿負重保持條件下實驗.實驗條件:保持向前彎曲姿態(tài),雙手端握一個模擬重物箱(重量7kg),時間30秒.通過測力臺記錄人體重心(Center of gravity, COG)的移動軌跡、移動速度點離散分布等相關數(shù)據(jù).系統(tǒng)默認采樣頻率60Hz,共獲得1800對X軸和Y軸數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理按照式(4)～(9)進行計算分析.

圖11 基于測力臺的靜姿負重保持實驗Fig.11 Static holding test on force plate

其中,?Li為一個采樣周期內(nèi)COG移動距離,LNG是在30秒內(nèi)整體移動長度.n=1800為樣本總數(shù),LNGX和LNGY是在X軸方向和Y軸方向上的相應移動長度.V Xi+1和V Yi+1分別為X軸方向和Y軸方向上移動速度,這里T為采樣周期(T=1/60s).

圖12所示是在有無穿戴腰部助力機器人條件下,實驗過程中人體重心COG移動軌跡和重心移動速度點離散分布情況.表1所示數(shù)據(jù)為COG移動總位移量比較.實驗數(shù)據(jù)表明,由于雙手持有重物在肢體屈曲前傾姿態(tài)下,為保持平衡,前后移動明顯高于左右移動.在穿戴腰部助力機器人助力作用下, COG移動距離低于無穿戴情況,同時速度點離散分布更集中,證明由于助力機器人作用,在靜姿保持重物條件下穿戴者脊柱穩(wěn)定性更好.對于長時間進行彎腰護理作業(yè)的人員來說將更有可能減輕他們的背部肌肉勞損,提高脊柱穩(wěn)定性,降低下腰痛職業(yè)病風險.

表1 人體重心移動位移(m)Table 1 The moving length of the COG(m)

3 結論

本文提出基于柔性氣壓驅(qū)動器的腰部助力機器人,相對于McKibben氣動人工肌肉,伸長型氣壓驅(qū)動器具有更高的收縮比,同時具有類似生物肌肉的輸出力特性,特別適合穿戴應用的柔性驅(qū)動需求.無外骨骼式結構使得機器人本體輕量化,實現(xiàn)像普通服裝那樣進行穿戴,與人體親和性更好.通過調(diào)節(jié)供氣壓力容易實現(xiàn)輸出助力的控制.通過三種不同條件下的相關實驗驗證了穿戴式腰部助力的有效性,能夠提供腰部助力,降低下腰痛的風險.

圖12 重心移動軌跡和速度點離散分布Fig.12 The moving length and velocity distribution of the COG

本文仍有如下問題需要在未來工作中進一步加以考慮:助力機器人與穿戴者緊密接觸,共處一個空間,外部環(huán)境、穿戴者與機器人之間存在信息和能量的相互傳遞.在實際應用中要應對不同作業(yè)任務,需要進一步開展研究,利用多信息融合技術,通過識別穿戴者運動意識,實現(xiàn)人與機器人之間在感知和決策間的交互作用,最終達到人機一體化的協(xié)調(diào)控制要求.

此外為了實現(xiàn)移動作業(yè)實際需求,便攜式高壓氣源以及可穿戴式控制器等方面也需要統(tǒng)籌考慮.在下一步的研究中,將以柔性可穿戴式腰部助力機器人為平臺,針對人在環(huán)中、人機耦合條件下的協(xié)同控制開展研究,真正實現(xiàn)移動作業(yè)和智能搬運助力的需要.

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李向攀河南科技大學機電工程學院講師.2013年獲得日本岡山大學博士學位.主要研究方向為康復機器人,助力機器人.E-mail:xiangpanli@haust.edu.cn

(LIXiang-PanLecturer at the School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology.He received his Ph.D.degree from Okayama University,Japan in 2013.His research interest covers rehabilitation robot and power assist robot.)

韓建海河南科技大學教授.2002年獲得日本岡山大學工學博士學位.主要研究方向為數(shù)字控制技術,康復訓練機器人,流體伺服控制技術.本文通信作者.

E-mail:jianhaihan@haust.edu.cn

(HAN Jian-HaiProfessor at Henan University of Science and Technology. He received his Ph.D.degree from Okayama University,Japan in 2002.His research interest covers numerical control technology,rehabilitation training robots,and fuid power servo control technology.Corresponding author of this paper.)

郭冰菁河南科技大學機電工程學院副教授.主要研究方向為康復機器人,機器人控制,流體傳動與控制.

E-mail:bingjing@haust.edu.cn

(GUO Bing-JingAssociate professor at the School of Mechatronics Engineering,Henan University of Science and Technology.Her research interest covers rehabilitation robot,robot control,and fuid transmission and control.)

張彥斌河南科技大學機電工程學院教授.2008年于西安理工大學機械與精密儀器工程學院機械工程專業(yè)獲博士學位.主要研究方向為并聯(lián)機器人理論.

E-mail:yanbin_zh@163.com

(ZHANGYan-BinProfessor at the School of Mechatronics Engineering,Henan University of Science and Technology.He received his Ph.D.degree in mechanical engineering from the School of Mechanical and Precision Instrument Engineering,Xi'an University of Technology in 2008.His main research interest is theory of parallel robots.)

趙菲菲博士,日本津山高等專門學校講師.主要研究方向為流體傳動與控制,柔性機器手.

E-mail:chofeifei@gmail.com

(ZHAO Fei-FeiPh.D.,lecturer at Tsuyama National College of Technology,Japan.Her research interest covers fuid transmission and control,soft robot hand.)

則次俊郎日本津山高等專門學校校長.主要研究方向為智能機械制御學,人間康復福祉工學.

E-mail:toshiro@tsuyama-ct.ac.jp

(NORITSUGU ToshiroPresident at Tsuyama National College of Technology,Japan.His research interest covers intelligent mechanical control, human biomedical engineering,rehabilitation science and welfare engineering.)

Development of Wearable Power Assist Robot for Low Back Support Using Soft Pneumatic Actuators

LI Xiang-Pan1HAN Jian-Hai1GUO Bing-Jing1ZHANG Yan-Bin1ZHAO Fei-Fei2NORITSUGU Toshiro2

With the rapid arrival of aging society,in order to meet the requirements on rehabilitation and transfer assist, we proposed a wearable power assist robot for low back support using soft pneumatic actuators which are lightweight, robust and powerful and especially safe for the interaction between man and machine.This non-exoskeleton type robot can provide low back with proper assist force during lifting or static holding tasks,and prevent the caregiver from sufering low back pain(LBP).The assistance efectiveness of the proposed device has been proven through related experiments, including assessing the electromyography(EMG)signal of the erector spinae muscles,measuring the maximum lift weight, and the track data of center of gravity(COG).

Wearable,power assist robot,soft pneumatic actuator,exoskeleton

李向攀,韓建海,郭冰菁,張彥斌,趙菲菲,則次俊郎.基于柔性氣壓驅(qū)動器的可穿戴式腰部助力機器人研究.自動化學報,2016,42(12):1849?1858

Li Xiang-Pan,Han Jian-Hai,Guo Bing-Jing,Zhang Yan-Bin,Zhao Fei-Fei,Noritsugu Toshiro.Development of wearable power assist robot for low back support using soft pneumatic actuators.Acta Automatica Sinica,2016,42(12): 1849?1858

2016-02-29 錄用日期2016-08-15

Manuscript received February 29,2016;accepted August 15, 2016

河南省教育廳科學技術研究重點項目(14A460025),洛陽市科技局洛陽市科技計劃項目(1401006A)

Supported by Foundation of Henan Educational Committee(14 A460025),Science and Technology Planning Project of Luoyang (1401006A)

本文責任編委趙新剛

Recommended by Associate Editor ZHAO Xin-Gang

1.河南科技大學機電工程學院 洛陽471003中國 2.日本津山高等專門學校津山708-8509日本

1.School of Mechatronics Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China 2.Tsuyama National College of Technology,Tsuyama 708-8509,Japan