華中科大熊蔡華教授團隊在人機共融的穿戴式機器人取得重要進展

近日，美國電氣和電子工程師協會(IEEE)的旗艦雜誌《IEEE Spectrum》在線報導了華中科技大學數字製造裝備與技術國家重點實驗室熊蔡華教授團隊關於人機共融的穿戴式機器人最新研究成果「This Motorized Backpack Eases the Burden for Hikers(減少負重行走代謝能消耗的動力背包)」。

探索人體運動的奧秘，用工程科學方法增強人體負重運動能力，實現行走的第二次革命，是人機一體化交叉學科前沿研究的重要科學目標之一。穿戴式機器人作為輔助和增強人體行走能力的裝備，是開展這一重要科學研究的載體，承載了人機一體化裝備設計與製造的科學內涵，已成為當今美國和歐盟等發達國家優先發展的前沿研究領域。

熊蔡華教授團隊針對如何減少人體負重行走代謝能消耗這一科學目標，以負重動力背包為載體開展了系統深入的研究。受彈性扁擔負重能減少挑擔者行走代謝能消耗、賽馬騎師振腿能使賽馬以小的代謝能消耗取得好的成績等自然現象的啟發，項目組提出了一種能主動感知人體質心波動，並根據質心波動情況自主調節負載加速度來減少負重行走中代謝能消耗的動力背包設計原理和方法。該動力背包樣機自重5.3公斤，承載能力不少於30公斤，擁有被動和主動兩種工作模式。在被動模式下，背包內的負載重量僅由彈性元件來平衡。一旦用戶開啟主動模式，內置的電機將結合人體運動狀態，實時動態調節負載的加速度改變負載的運動幅值和頻率，以使其重心相對於地面維持在一個確定的高度，實現載荷的空間「懸浮」。實驗測試表明，相比於傳統的負重背包，該動力背包能將負載相對於地面的加速度減少98.5%，使穿戴者的下肢肌肉激活強度顯著降低，代謝能減少11%。

該項研究工作為用工程科學方法增強和拓展人體運動能力，提供了新的原理和方法。該工作受到國家自然科學基金重點項目「修復與增強人體運動能力的穿戴式機器人基礎研究」（No. 91648203）的資助，是我院丁漢院士負責的國家自然科學基金委員會「共融機器人基礎理論與關鍵技術研究」重大研究計劃的一部分，一直得到了丁漢院士領銜的專家組的指導和幫助。

來源：華中科技大學

報導連結：

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/consumer-electronics/portable-devices/this-motorized-backpack-eases-the-burden-for-hikers