受脊柱启发的用于弯腰搬运辅助的连续体软外骨骼

背部损伤是最普遍的职业性肌肉骨骼疾病，也是致残的主要原因。尽管可穿戴机器人的创新旨在减轻此危害，但大多数现有外骨骼因刚性连杆设计限制自然运动而显得笨重，从而造成工效学风险。此外，这些现有系统通常仅适用于一种运动辅助，并非广泛适用于多种活动。为填补此空白，本文提出一种新型可穿戴机器人设计方法——连续体软外骨骼。这种受脊柱启发的可穿戴机器人不显笨重，可辅助下蹲与弯腰而不阻碍行走运动。为解决脊柱独特解剖结构不宜简化为单自由度关节的难题，我们的机器人贴合人体解剖结构，可减小沿人体脊柱的多种力，如棘肌力、腰椎的剪切力与压缩力。我们推导了该机构的运动学与动力学模型，并建立了人机交互的分析型生物力学模型。在仿真中对椎间盘压缩力、椎间盘剪切力与肌力进行了定量分析。我们进一步开发了虚拟阻抗控制策略以实现力控制并补偿Bowden缆绳传动的迟滞。原型的 feasibility 在三名健康受试者上进行了实验测试。力跟踪的均方根误差为6.63 N（200 N峰值力的3.3%），表明其可主动将刚度控制至期望值。该连续体软外骨骼代表了一种可行方案，有望减轻多种活动及沿人体脊柱多种力所致的背痛。