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基于柔性气压驱动器的可穿戴式腰部助力机器人研究.pdf
12 期 李向攀等:基于柔性气压驱动器的可穿戴式腰部助力机器人研究 1851 与否直接影响着脊柱活动及下腰痛 (Low back pain , 部助力机器人所输出的力矩由两个气压驱动器联合 LBP) 的发生.在静止时,脊柱的稳定结构主要是椎 提供,其中驱动器 1 提供了所需外部收缩力,驱动器 间盘、小关节及后部韧带结构,运动时的动力稳定结 2 可以改变力臂的大小,实现助力输出同时由于驱 构主要是腰背肌.由于工作中从事搬运患者、频繁 动器 2 的内部膨胀使得背部矫正带腰带收紧,增大 弯腰和扭转、长期保持弯腰进行护理作业,造成背部 腹部压力 IAP, 同样可以增大脊柱的稳定性. 肌肉及软组织劳损,引起脊柱失稳从而导致下腰痛 的临床表现,成为护理人员中最常见的职业病. 图 1 腰部助力机器人 Fig. 1 Power assist robot for low b a.ck support (均 无助为 (b)穿戴助力 (a) Witbout 部sist 。,)W油勘sist 图 2 脊柱悬臂梁模型和助力机器人机理 图 2 为屈曲前倾状态下举起重物过程中,人体 脊柱腰献关节 (L5/S1) 处生物机械力学模型,该状 Fig. 2 Cantilever model of spine and mechanism of 态下可以将人体脊柱看作装配于人体骨盆上的一个 power assist robot for low back support 悬臂梁机构[29J 在 L5/S1 关节处的力矩平衡由两部 1.3 柔性气压驱动器 分组成, 一边是人体上肢肢体重力矩mHATg (包括 头、 上臂、 上半身躯干肢体)和所提重物重力矩mLg 由于气压驱动器的柔性、轻量、输出力大、人机 组成,其力臂的大小分别是 B 和 L, 另一边是背部 交互安全性好,特别适合用于实现穿戴类应用[31-32J 竖脊肌为主的背部肌肉所产生的收缩力 FM、腹部 在本课题中主要采用两类柔性气压驱动器,通过给 共同作用来 肌肉引起腹压(IAP) 及外部的助力F A 定压力条件来实现腰部所需的助力. 平衡.因此人体前屈提起重物过程中重力负载力矩 驱动器 1 为伸长型气动人工肌肉,如图 3 所示. 将对脊柱产生较大作用力,该作用力沿 L5/S1 关节 外部为波纹管编织网,内部为橡胶管,两端分别配有 面方向可以分解成压力 Fc 和剪切力 F , 尤其是压 s 进气口和密封墙头.所用橡胶管外径 12.0mrn,内径 力 Fc 通常为人体体重的数倍[30J 一旦超过人体所 10.0mrn, 编织网最大膨胀外径 14.0mrn,最小收缩 能承受的生理极限,会对腰慑关节之间的髓核造成 外径为4.0 rnrn. 所用材料价格低廉,驱动器可在实 不可逆的生理改变,使其膨出或突出压迫神经组织,
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