基于体积优化气动执行器的双自由度软肩外骨骼设计与表征
机器人学
2026-02-23 v1
摘要
可移动气动系统用于2自由度（DOF）软肩外骨骼仍属探索不足范畴，面临 torque 输出与动态响应之间的根本性权衡，且因需多个执行器支撑复杂肩部运动而进一步制约。本文通过体积优化的 spindle 形 angled actuator（SSAA）几何结构来解决这些限制：SSAA 在减小体积后35.7%（357mL vs. 555mL），仍保持94.2%的输出 torque，并实现35.2%的动态响应加速。基于 SSAA，我们开发了基于 SSAA 几何的曲线抬腱执行器（CAA）和基于口袋电机原理的水平内收执行器（HAA），并整合至一个体重390克的双DOF纺织品肩部外骨骼。外骨骼提供覆盖肩部抬腱、屈曲及水平内收的多模态协助，具体取决于驱动方式。针对10名健康受试者的用户研究表明，外骨骼在两项肩部任务中显著降低了肌电活动（EMG）。在仅使用 HAA 完成抬腱时，外骨骼在7处肌肉中实现了最高59%的肌肉活动降幅；在屈曲任务中，单执行器配置（仅 HAA）和双执行器配置（HAA、CAA）分别较无协助情况降低了最高63.7%的 EMG 活动。然而，在健康用户进行屈曲时，仅增加 CAA 对现有 HAA 支持的增量效益有限，仅在胸大肌中观察到统计学显著的额外降幅。这些实验结果刻画了执行器在健康用户中的贡献，为多DOF外骨骼系统的设计提供了指导。
引用
@article{arxiv.2602.18212,
title = {Design and Characterization of a Dual-DOF Soft Shoulder Exosuit with Volume-Optimized Pneumatic Actuator},
author = {Rui Chen and Domenico Chiaradia and Daniele Leonardis and Antonio Frisoli},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.18212},
year = {2026}
}