团队开发出多功能膝关节外骨骼，以实现更安全的举重

Josiah02 · 发表于 2024-9-19 13:03:06

密歇根大学利用市售的膝关节支架和无人机发动机制造的一套膝关节外骨骼已被证明有助于缓解举重和搬运任务中的疲劳。研究人员在《科学机器人》杂志上发表的一篇新论文中表示，它们可以帮助用户即使在疲劳时也能保持更好的举重姿势，这是预防工作伤害的关键因素。
“我们不是直接支撑背部并放弃正确的举重姿势，而是加强腿部以保持这种姿势，”密歇根大学机器人学教授、这项研究的通讯作者罗伯特·格雷格说。“这与工业界更常见的做法不同。”
目前，经常搬运重物的工人（例如建筑和制造业）可能会使用背部支架。背部外骨骼使用弹簧或马达来帮助搬运，是一种新兴技术。但格雷格表示，支撑背部的设备假设搬运或弯腰时不安全，而背部外骨骼往往笨重，必须停用才能进行不属于搬运任务的动作。
密歇根团队表示，他们的膝关节外骨骼是首个支持股四头肌的装置，股四头肌在安全下蹲举重时提供大部分力量，这是一种侵入性较小的方式，有助于保护工人免受背部伤害。研究参与者使用 20 磅重的壶铃进行举重和搬运任务，测试了它们的效果。
这些任务包括将重物从地面上举起并再次放下，以及在平地、斜坡上上下下和上下楼梯时举起和携带重物。研究发现，在疲劳之后，参与者在外骨骼的帮助下保持了更好的姿势，而且他们举重的速度也更快——仅比疲劳前慢了 1%，而没有外骨骼帮助时则慢了 44%。
“当工人必须跟上传送带时，这一点尤为重要。通常，当工人疲劳时，他们会跟上传送带的速度，但姿势会受到影响。他们会更多地弯曲背部，这时最容易受伤，”密歇根大学机器人学博士后研究员、这项研究的第一作者尼基尔·迪韦卡 (Nikhil Divekar) 说。
参与者也感受到了好处——他们大多表示相当满意或非常满意，除了在平地上行走，他们或多或少感到满意。这与在这个相对简单的任务中股四头肌需要的少量帮助有关；格雷格将其描述为足以抵消外骨骼重量的支撑。
让外骨骼如此易于穿戴的关键之一是电机及其传动方式，这使用户能够自由摆动膝盖，实现自然步态。另一个关键是软件，它通过测量膝关节的角度、大腿和小腿的方向以及用户鞋子中的传感器接收到的力来预测用户需要哪种辅助。
通过对双腿进行这三次测量，可以确定用户想要做出的动作以及需要提供多少帮助。这些测量每秒进行 150 次，使外骨骼能够在活动之间无缝移动。
这种方法与许多外骨骼控制器形成鲜明对比，外骨骼控制器遵循预先定义的模式，执行一组有限的任务。格雷格说，切换任务对这些控制器来说可能是一个问题，它们可能需要整整一秒钟才能弄清楚用户想要做什么。
“如果你的外星机器人想走上楼梯，而你却想走下楼梯，那就可能会有问题，对吧？”他说。
新的控制器还将物理模型与机器学习配对，当用户的行为与控制器的训练数据中包含的任何活动不同时，这可以防止外骨骼做出意外动作。
实验室原型每双成本约为 4,000 美元，因此格雷格预计，如果外骨骼大规模生产，每双成本可能约为 2,000 美元。
10 名研究参与者（五名女性和五名男性）在两天内完成了所有任务，其中一天精力充沛，另一天疲惫不堪。为了引起疲劳，每位参与者都用壶铃进行了一系列深蹲，直到他们无法继续，除非在重复之间长时间休息。所有参与者都拥有正确的深蹲技巧。
该团队在密歇根大学创新合作伙伴的帮助下申请了专利保护，并正在寻求合作伙伴将该技术推向市场。

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