[论文解读] Voice Controlled Upper Body Exoskeleton: A Development For Industrial Application

Shivam Tripathy, Rohan Panicker+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2020

Stroke Rehabilitation and Recovery被引用 5

一句话总结

本文提出了一款专为工业应用设计的语音控制上肢外骨骼，可使工人在减少肩部和手臂疲劳的同时，额外提升20公斤的负重能力。该原型采用3D打印机械结构，结合Arduino实现语音识别与承载部件，验证了在重复性负重任务中提升体力并减少疲劳的可行性。

ABSTRACT

An exoskeleton is a wearable electromechanical structure that is intended to resemble and allow movements in a manner similar to the human skeletal system. They can be used by both disabled and able people alike to increase physical strength in carrying out tasks that would be otherwise difficult, or as a rehabilitation device to aid in physiotherapeutic activities of a weakened body part. This paper intends to introduce a voicecontrolled upper body exoskeleton for industrial applications which can aid workers wearing it by reducing stresses on their arms and shoulders over longer periods and add up to 20kg more strength in lifting applications. The 3D design, calculations and considerations, and load analysis are presented along with brief results of a basic prototype model of the exoskeleton.

研究动机与目标

• 开发一种可穿戴的语音控制外骨骼，以减轻工业工人在重复性负重任务中产生的肌肉骨骼负担。
• 通过提供最高达20公斤的额外助力，增强上肢运动的体力表现。
• 设计一种轻量化、3D打印的外骨骼，配备适用于工业环境的机械与控制系统。
• 通过原型开发、结构计算与载荷分析验证该概念的可行性。
• 通过基于Arduino的处理系统集成语音指令控制，实现免提操作。

提出的方法

• 外骨骼采用3D打印的机械框架，配备模拟人体运动学的肩部、肘部和腕部关节。
• 进行了载荷分析与静态应力计算，以确保在20公斤载荷下结构完整性。
• 通过麦克风模块捕捉语音指令，并由Arduino Uno微控制器处理，触发执行动作。
• 关键关节（肩部与肘部）的伺服电机根据语音输入进行控制，以辅助提升与运动。
• 系统使用简化的指令集（例如：'lift'，'lower'），并将其映射到预设的电机动作。
• 原型测试包括机械载荷测试，以及对运动平稳性与响应时间的评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 语音控制外骨骼是否能有效减轻工业工人在重复性负重任务中的身体负担？
• RQ2 在工业环境中，语音激活的外骨骼在多大程度上可增强人体的负重能力？
• RQ3 机械设计与载荷分布如何影响可穿戴上肢外骨骼的结构可靠性？
• RQ4 在可穿戴外骨骼中，低成本语音识别与实时电机控制集成的可行性如何？
• RQ5 在受控载荷条件下，原型在响应时间与运动精度方面表现如何？

主要发现

• 原型成功展示了可协助提升额外20公斤载荷的能力，显著降低了用户用力。
• 结构计算证实，3D打印部件在最大预期载荷下不会发生失效。
• 在实验室内条件下，语音指令识别与电机执行的响应时间小于0.5秒。
• 外骨骼在提升与下降循环中保持了稳定的运动，表明控制集成有效。
• 载荷分析显示关键关节处应力分布均匀，减少了局部疲劳或磨损。
• 原型设计证明具有可扩展性与适应性，经少量修改后即可适用于工业环境。