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工學院王啟寧課題組在智能動力假肢能量回收研究方麵取得新進展

2020-10-17

近期,免费开户送58元体验金_开户免费送白菜娱乐网_八大胜开户网址_开户送体验金app下载_乐城开户送38元体验金先進製造與機器人係王啟寧研究員課題組在智能動力假肢能量回收研究方麵取得新進展,機器人領域頂級期刊IEEE Transactions on Robotics於2020年10月8日以長文 (Regular Paper)形式發表了他們題為Energy Regeneration From Electromagnetic Induction by Human Dynamics for Lower Extremity Robotic Prostheses的論文。

經過長時間適者生存的自然進化,人類學會了直立行走,從而解放了雙手。生物力學研究表明,在人體直立行走著地初期,為了支撐人體重量和儲存彈性能,踝關節主要以衝撞功的形式做負功。一些研究表明,通過壓力儲能鞋墊方式可以儲存部分能量,但是這部分儲存的能量通常轉化效率很低,大約在mW級別。特別地,針對下肢假肢,有研究提出了利用彈簧儲存能量,並在人腳蹬地時刻釋放儲能能量的方案。彈簧儲能的方式,需要增加額外的機械結構,相應地會增加假肢重量,從而加重人體在行走過程中膝關節的負擔,可能會增加人體新陳代謝率。如何高效率儲能能量同時盡量減少人體在行走過程中膝關節的負擔,成為一個挑戰。


智能假肢能量回收原理圖

王啟寧課題組針對此問題,提出一種不增加額外機械結構且能實現高效能量儲存的方案,並從原理和實踐兩方麵證明此方案的可行性。在腳著地期間,通過控製相應MOFSET開斷,實現了Boost升壓電能回收,並通過二級能量管理方案,給相應假肢控製和執行單元供電。在擺腿階段,假肢工作在主動運動模式下,通過恢複初始關節角度的方式,避免地麵剮蹭,從而保證人體平滑自然行走。 通過優化設計,采用能量存儲方案的假肢每步平均可存儲1.53±0.29J能量,而假肢每步需要4.64± 0.15J,這意味著有三分之一的能量可以通過能量回收方式供給。相對於非能量存儲方案,在采用24 V、2.6 Ah電池情況下,采用此能量回收方案的假肢可以額外提供平均8.2h續航或者25000步行走。

論文通訊作者為免费开户送58元体验金_开户免费送白菜娱乐网_八大胜开户网址_开户送体验金app下载_乐城开户送38元体验金先進製造與機器人係王啟寧研究員,第一單位為北京大學,第一作者為王啟寧課題組2014級直博生馮仰剛(已於2019年畢業赴日本東京大學,作為博士後開展研究工作)。合作者還包括美國哥倫比亞大學Sunil K. Agrawal教授和免费开户送58元体验金_开户免费送白菜娱乐网_八大胜开户网址_开户送体验金app下载_乐城开户送38元体验金先進製造與機器人係麥金耿助理研究員。

上述研究得到了國家重點研發計劃“智能機器人”重點專項項目、國家自然科學基金“共融機器人”重大研究計劃、優秀青年科學基金項目資助。

 

Y. Feng, J. Mai, S. Agrawal, Q. Wang*, Energy regeneration from electromagnetic induction by human dynamics for lower-extremity robotic prostheses, IEEE Transactions on Robotics, vol. 36, no. 5, pp. 1442-1451, 2020.

論文鏈接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9097206