46、可穿戴上肢软机器人与下肢康复外骨骼的创新设计

可穿戴上肢软机器人与下肢康复外骨骼的创新设计

一、可穿戴上肢软机器人助力负载提升

（一）背景与问题提出

在众多行业中，与工作相关的肌肉骨骼疾病（WMSDs）是一个严重问题，尤其是涉及手动或重复性任务的行业。上肢疾病是最常见的WMSD类型，不同国家和行业的患病率在41.5% - 76.8%之间。可穿戴辅助机器人技术虽被视为预防WMSDs的潜在解决方案，但现有的外骨骼笨重且存在一些缺点，如限制关节运动、需要电源、长时间佩戴不舒适等，其长期对工人健康的影响也不明确。

而软机器人技术提供了一种非侵入性、符合人体工程学且适应性强的方法。以往的研究主要集中在帮助行动受限的个体或康复方面，缺乏专门为职业环境设计的可穿戴软机器人来预防WMSDs。

（二）系统设计

1. 系统概述

该可穿戴软机器人系统旨在为人们进行手动负载提升任务时提供辅助扭矩。系统以一款现成的纺织基防护夹克为基础，这款夹克原本是为摩托车手防护设计，其不同身体部位的塑料垫可让气动人工肌肉（PAMs）牢固锚定。四个定制的McKibben PAMs用于驱动，由便携式气动控制系统提供动力，包括微型空气压缩机、定制气罐、嵌入式控制系统和电池。三个定制的惯性测量单元（IMUs）用于身体运动传感并为系统控制提供实时输入信号。整个系统由24V锂电池供电，重4.25kg，辅助部分仅重2.55kg，成本约700元人民币（100美元）。

2. 气动人工肌肉（PAMs）

PAMs负责产生辅助力，采用McKibben设计，因其是最广泛使用且低成本的PAM解决方案。影响PAM产生力的因素有四个：长度、外壳材料、内管直径和气压变化。根据中国成年