IEEE?TRO | 柔性水下外骨骼：開(kāi)啟潛水新體驗(yàn)
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生中心團(tuán)隊(duì)在水下可穿戴外骨骼領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)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(dòng)作，包括交替打腿、蛙泳腿以及水下行走，同時(shí)大幅降低水下耗氣速率，為水下作業(yè)效率與安全性帶來(lái)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(jī)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(yáng)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(dá)協(xié)助實(shí)驗(yàn)實(shí)施。IEEE?Transactions on Robotics?是IEEE旗下機(jī)器人與自動(dòng)化協(xié)會(huì)的匯刊，是國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊之一。
論文截圖
海洋作業(yè)如石油平臺(tái)維護(hù)、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(zhǎng)時(shí)間工作。長(zhǎng)時(shí)間的潛水活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致潛水員的代謝成本大幅增加，進(jìn)而增加減壓病等潛水相關(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)階段尚無(wú)針對(duì)潛水助力的外骨骼系統(tǒng)。
團(tuán)隊(duì)依據(jù)潛水員水下多模態(tài)動(dòng)作特征，研制了雙向套索傳動(dòng)髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)提供雙腿屈曲和伸展方向助力，同時(shí)能夠保證在非助力模式下大腿自由動(dòng)作不受約束，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的高效性和人員安全性。這一設(shè)計(jì)不僅提高了潛水員的靈活性，還顯著降低了他們?cè)谒伦鳂I(yè)時(shí)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(yùn)動(dòng)因水流擾動(dòng)，外骨骼易在電纜松弛時(shí)進(jìn)入“不可控狀態(tài)”，導(dǎo)致助力突兀或延遲。團(tuán)隊(duì)提出級(jí)聯(lián)力積分控制算法CFI，通過(guò)預(yù)測(cè)潛水員運(yùn)動(dòng)相位，實(shí)時(shí)生成目標(biāo)力積分曲線，并結(jié)合自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)補(bǔ)償擾動(dòng)。實(shí)驗(yàn)顯示，相比傳統(tǒng)PID控制，CFI控制器助力波動(dòng)顯著降低，響應(yīng)延遲低于5%動(dòng)作周期，可實(shí)現(xiàn)平滑、穩(wěn)定的助力輸出，顯著增強(qiáng)了其在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)能力。
圖2: 相位預(yù)測(cè)-控制參考生成-力積分控制器三層控制框架
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，9名參與者在不同的運(yùn)動(dòng)模式和頻率下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，PEAKED針對(duì)水下交替打腿能減少潛水員氣瓶?jī)?nèi)空氣消耗速率29.77% ± 7.68%，針對(duì)蛙泳打腿降低25.70% ± 5.99%，而在水下行走時(shí)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(dòng)作下，其助力效能更為明顯。
圖3 潛水員在三種運(yùn)動(dòng)模式和各類動(dòng)作頻率下的耗氣速率對(duì)比（穿戴助力vs.穿戴不助力vs.不穿戴）
圖4 ?PEAKED針對(duì)潛水運(yùn)動(dòng)提供助力
實(shí)驗(yàn)還評(píng)估了外骨骼的運(yùn)動(dòng)相位預(yù)測(cè)精度。研究團(tuán)隊(duì)采用基于步態(tài)的自適應(yīng)振蕩器方法，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)潛水員的踢腿相位，其預(yù)測(cè)誤差顯著低于傳統(tǒng)的基于時(shí)間的相位估計(jì)方法，可在潛水員動(dòng)作之前，提前調(diào)整輔助力度，從而實(shí)現(xiàn)更加自然和高效的助力效果。
PEAKED的出現(xiàn)標(biāo)志著水下可穿戴機(jī)器人技術(shù)新的發(fā)展。它不僅代表了我國(guó)在水下可穿戴機(jī)器人技術(shù)的重要突破，更為人類探索海洋、開(kāi)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(jī)器人，安全、高效的完成水下任務(wù)。該研究工作得到了國(guó)家自然基金、博士后科學(xué)基金、廣東省和深圳市等科技項(xiàng)目資助。
