新型柔性潛水助力外骨骼系統(tǒng)助力多場(chǎng)景潛水運(yùn)動(dòng)

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)大幅降低水下耗氧速率，為水下作業(yè)效率與安全性帶來(lái)提升。相關(guān)研究成果發(fā)表于發(fā)表在《IEEE 機(jī)器人匯刊》。

PEAKED柔性潛水助力外骨骼系統(tǒng) 研究團(tuán)隊(duì)供圖

在海洋作業(yè)中，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任務(wù)，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，從而增加減壓病等潛水相關(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)依據(jù)潛水員在水下的多模態(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自主移動(dòng)能力，還顯著降低了他們?cè)谒伦鳂I(yè)時(shí)的體力消耗。

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?；蜓舆t。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，相較于傳統(tǒng)方法，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。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)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)蛙泳打腿降幅為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。在高頻率動(dòng)作方面，PEAKED助力效能更為明顯, 在動(dòng)作頻率達(dá)0.7赫茲時(shí)，個(gè)體的普遍耗氧降幅超過(guò)40%，意味著在20米以內(nèi)水深的續(xù)航時(shí)間可以從45分鐘增加到1小時(shí)左右。

該成果推動(dòng)了水下可穿戴機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，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，潛水員們有望能夠借助潛水外骨骼系統(tǒng)，安全、高效地完成水下任務(wù)。