Запечатлевая движение,
Создавая истории

Технологические достижения позволили носимым устройствам быстро развиваться. Хотя традиционный рюкзак может помочь в транспортировке грузов, его использование все равно требует значительных физических усилий. В связи с этим было разработано множество экзоскелетных роботов, чтобы помогать движению человека и увеличивать грузоподъемность.

Большинство существующих экзоскелетных роботов передают статический вес груза на землю, снимая его с человеческого тела, что позволяет легче передвигаться. Однако с каждым шагом вертикальное движение центра тяжести тела передает инерционную силу на груз. Это требует от тела дополнительных затрат энергии для компенсации инерции груза, что ограничивает возможность применения технологии в сценариях с большими нагрузками или на длинные расстояния, таких как нагруженные марши и полевые научные исследования.

Исследовательская группа Харбинского института технологий разработала устройство подвесного рюкзака, которое может адаптироваться к различным нагрузкам и вариациям человеческого движения. Это устройство автоматически регулирует эффект подвеса рюкзака в зависимости от изменений в весе нагрузки или движении человека. Дизайн подвесного рюкзака был разработан на основе анализа исследователями кинематической модели центра масс человеческого тела и его нижних конечностей во время выполнения ходьбы.

Для проверки точности кинематических моделей исследователи использовали систему захвата движения NOKOV для записи траектории центра масс человеческого тела. Три отражающих маркера были размещены вокруг талии испытуемого, близко к их центру масс. Во время теста испытуемый шел на беговой дорожке со скоростями 5 км/ч, 7 км/ч и 9 км/ч. 8 камер захвата движения NOKOV, установленных вокруг беговой дорожки, записали движение центра масс испытуемого.

Данные, собранные системой захвата движения NOKOV, были затем импортированы в Matlab для обработки. Экспериментальная траектория центра масс тела была сравнена с предсказанной траекторией из кинематической модели. При движении на низких скоростях предсказанная траектория была очень похожа на фактическую траекторию центра масс, полученную с помощью системы захвата движения. Хотя траектория модели не совсем соответствовала на более высоких скоростях, движение соответствовало общей синусоидальной тенденции, с вариациями, зависящими от походки испытуемого. Модель смогла более точно представить смещение центра масс тела во время человеческого движения по сравнению с предыдущими моделями.

На основе кинематической модели исследователи разработали устройство рюкзака с постоянной силовой подвеской, которое было легким, имело регулируемую нагрузку и включало в себя широкий спектр активных и пассивных систем силовой подвески, работающих в сочетании друг с другом. Исследователи также подвергли свой рюкзак с постоянной силовой подвеской различным испытаниям, включая испытание механизма баланса постоянной силы, испытание инерционной силы, тест потребления энергии человеком и тест на адаптацию к действиям, среди прочих. Рюкзак смог удовлетворить всем требованиям испытаний, что подтвердило жизнеспособность дизайна исследователей. Рюкзак с постоянной силовой подвеской смог эффективно контролировать свою подвеску, уменьшая инерционную силу нагрузки на человеческое тело и снижая метаболическую энергию, необходимую для переноса груза.

Библиография:

[1] Ju Haotian. Исследование технологии динамической разгрузки рюкзака с постоянной силой подвеса [D]. Харбинский институт технологий, 2021.