Portable pneumatic systems for 2 degree-of-freedom (DOF) soft shoulder exosuits remain underexplored, and face fundamental trade-offs between torque output and dynamic response that are further compounded by the need for multiple actuators to support complex shoulder movement. This work addresses these constraints through a volume-optimized spindle-shaped angled actuator (SSAA) geometry: by reducing actuator volume by 35.7% (357mL vs. 555mL), the SSAA maintains 94.2% of output torque while achieving 35.2% faster dynamic response compared to uniform cylindrical designs. Building on the SSAA, we develop a curved abduction actuator (CAA) based on the SSAA geometry and a horizontal adduction actuator (HAA) based on the pouch motor principle, integrating both into a dual-DOF textile-based shoulder exosuit (390 g). The exosuit delivers multi-modal assistance spanning shoulder abduction, flexion, and horizontal adduction, depending on the actuation. User studies with 10 healthy participants reveal that the exosuit substantially reduces electromyographic (EMG) activity across both shoulder abduction and flexion tasks. For abduction with HAA only, the exosuit achieved up to 59% muscle activity reduction across seven muscles. For flexion, both the single-actuator configuration (HAA only) and the dual-actuator configuration (HAA,+,CAA) reduced EMG activity by up to 63.7% compared to no assistance. However, the incremental benefit of adding the CAA to existing HAA support was limited in healthy users during flexion, with statistically significant additional reductions observed only in pectoralis major. These experimental findings characterize actuator contributions in healthy users and provide design guidance for multi-DOF exosuit systems.


翻译:面向双自由度软肩外骨骼服的便携式气动系统目前仍处于探索不足的阶段,并且在扭矩输出与动态响应之间存在根本性的权衡,而支撑复杂肩部运动需要多个驱动器这一需求进一步加剧了这种权衡。本研究通过一种体积优化的纺锤形倾斜驱动器几何结构来解决这些限制:通过将驱动器体积减少35.7%(357毫升对比555毫升),该纺锤形倾斜驱动器在保持94.2%输出扭矩的同时,与均匀圆柱形设计相比,实现了35.2%更快的动态响应。基于纺锤形倾斜驱动器,我们开发了一种基于其几何结构的弯曲外展驱动器,以及一种基于囊式电机原理的水平内收驱动器,并将两者集成到一个双自由度、基于纺织材料的肩部外骨骼服中(重390克)。该外骨骼服可根据驱动模式,提供跨越肩部外展、屈曲和水平内收的多模式助力。对10名健康参与者进行的用户研究表明,该外骨骼服在肩部外展和屈曲任务中均显著降低了肌电活动。对于仅使用水平内收驱动器的外展任务,外骨骼服在七块肌肉上实现了高达59%的肌肉活动降低。对于屈曲任务,与无助力状态相比,单驱动器配置(仅水平内收驱动器)和双驱动器配置(水平内收驱动器+弯曲外展驱动器)均将肌电活动降低了高达63.7%。然而,在健康用户进行屈曲动作时,在已有的水平内收驱动器支持基础上增加弯曲外展驱动器所带来的增量效益有限,仅在胸大肌上观察到了具有统计学意义的额外降低。这些实验结果表征了驱动器在健康用户中的作用,并为多自由度外骨骼服系统的设计提供了指导。

0
下载
关闭预览

相关内容

《人工智能驱动的无人机多学科概念设计》
专知会员服务
32+阅读 · 2024年11月15日
《基于特质的多机器人协调建模》191页
专知会员服务
43+阅读 · 2024年6月10日
微型软体机器人能源驱动技术研究进展
专知会员服务
20+阅读 · 2023年7月12日
【NeurIPS2020-华为】DynaBERT:具有自适应宽度和深度的动态BERT
【紫冬声音】基于人体骨架的行为识别
中国自动化学会
17+阅读 · 2019年1月30日
【紫冬分享】基于人体骨架的行为识别
中国科学院自动化研究所
20+阅读 · 2019年1月18日
基于人体骨架的行为识别【附PPT与视频资料】
人工智能前沿讲习班
31+阅读 · 2019年1月15日
浅析共轴双旋翼无人直升机系统设计
无人机
21+阅读 · 2018年11月15日
AI综述专栏 | 人体骨骼关键点检测综述
人工智能前沿讲习班
19+阅读 · 2018年11月7日
人体骨骼关键点检测综述
极市平台
22+阅读 · 2018年6月29日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
VIP会员
最新内容
《新兴技术武器化及其对全球风险的影响》
专知会员服务
7+阅读 · 4月29日
《帕兰泰尔平台介绍:信息分析平台》
专知会员服务
18+阅读 · 4月29日
智能体化世界建模:基础、能力、规律及展望
专知会员服务
11+阅读 · 4月28日
相关资讯
【紫冬声音】基于人体骨架的行为识别
中国自动化学会
17+阅读 · 2019年1月30日
【紫冬分享】基于人体骨架的行为识别
中国科学院自动化研究所
20+阅读 · 2019年1月18日
基于人体骨架的行为识别【附PPT与视频资料】
人工智能前沿讲习班
31+阅读 · 2019年1月15日
浅析共轴双旋翼无人直升机系统设计
无人机
21+阅读 · 2018年11月15日
AI综述专栏 | 人体骨骼关键点检测综述
人工智能前沿讲习班
19+阅读 · 2018年11月7日
人体骨骼关键点检测综述
极市平台
22+阅读 · 2018年6月29日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员