【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院集成所智能仿生中心團隊在水下可穿戴外骨骼領(lǐng)域取得重要進展。團隊成功研發(fā)了一款柔性潛水助力外骨骼系統(tǒng)PEAKED，它能夠協(xié)助潛水員完成多種水下動作，包括交替打腿、蛙泳腿以及水下行走，同時大幅降低水下耗氣速率，為水下作業(yè)效率與安全性帶來提升。
研究成果以System Design of A Soft Underwater Exosuit to Reduce Metabolic Cost Across Multiple Aquatic Movements During Diving 為題，發(fā)表在機器人領(lǐng)域權(quán)威期刊 IEEE Transactions on Robotics。智能仿生中心博士后王向陽和陳春杰研究員為共同第一作者，吳新宇研究員為通訊作者。其它作者中，馬躍和孫健銓協(xié)助外骨骼系統(tǒng)搭建，杜思達協(xié)助實驗實施。IEEE Transactions on Robotics 是IEEE旗下機器人與自動化協(xié)會的匯刊，是國際機器人領(lǐng)域頂級期刊之一。
海洋作業(yè)如石油平臺維護、管道安裝與檢查、水下救援和船體清潔等，通常需要潛水員在水下長時間工作。長時間的潛水活動會導(dǎo)致潛水員的代謝成本大幅增加，進而增加減壓病等潛水相關(guān)疾病的風險。現(xiàn)階段尚無針對潛水助力的外骨骼系統(tǒng)。
團隊依據(jù)潛水員水下多模態(tài)動作特征，研制了雙向套索傳動髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器，可同時提供雙腿屈曲和伸展方向助力，同時能夠保證在非助力模式下大腿自由動作不受約束，實現(xiàn)任務(wù)的高效性和人員安全性。這一設(shè)計不僅提高了潛水員的靈活性，還顯著降低了他們在水下作業(yè)時的體力消耗。
圖1：PEAKED柔性潛水助力外骨骼系統(tǒng)
此外，水下運動因水流擾動，外骨骼易在電纜松弛時進入“不可控狀態(tài)”，導(dǎo)致助力突兀或延遲。團隊提出級聯(lián)力積分控制算法CFI，通過預(yù)測潛水員運動相位，實時生成目標力積分曲線，并結(jié)合自適應(yīng)參數(shù)估計補償擾動。實驗顯示，相比傳統(tǒng)PID控制，CFI控制器助力波動顯著降低，響應(yīng)延遲低于5%動作周期，可實現(xiàn)平滑、穩(wěn)定的助力輸出，顯著增強了其在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)能力。
圖2: 相位預(yù)測-控制參考生成-力積分控制器三層控制框架
研究團隊進行了多項實驗，9名參與者在不同的運動模式和頻率下進行了測試，結(jié)果顯示，PEAKED針對水下交替打腿能減少潛水員氣瓶內(nèi)空氣消耗速率29.77% ± 7.68%，針對蛙泳打腿降低25.70% ± 5.99%，而在水下行走時降幅為18.35% ± 4.53%。這些數(shù)據(jù)表明，PEAKED在減少潛水員代謝成本方面具有顯著效果，結(jié)果還顯示，在高頻率動作下，其助力效能更為明顯。
圖3 潛水員在三種運動模式和各類動作頻率下的耗氣速率對比(穿戴助力vs.穿戴不助力vs.不穿戴)
實驗還評估了外骨骼的運動相位預(yù)測精度。研究團隊采用基于步態(tài)的自適應(yīng)振蕩器方法，能夠準確預(yù)測潛水員的踢腿相位，其預(yù)測誤差顯著低于傳統(tǒng)的基于時間的相位估計方法，可在潛水員動作之前，提前調(diào)整輔助力度，從而實現(xiàn)更加自然和高效的助力效果。
PEAKED的出現(xiàn)標志著水下可穿戴機器人技術(shù)新的發(fā)展。它不僅代表了我國在水下可穿戴機器人技術(shù)的重要突破，更為人類探索海洋、開發(fā)海洋提供了重要工具。隨著這一技術(shù)的成熟和完善，更多的潛水員能夠借助水下可穿戴機器人，安全、高效的完成水下任務(wù)。該研究工作得到了國家自然基金、博士后科學(xué)基金、廣東省和深圳市等科技項目資助。
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