Development of a magnetorheological hand exoskeleton featuring a high force-to-power ratio for enhanced grip endurance

要約

手骨格子の疲労を緩和し、手の強度を高め、怪我を防止することにより、手骨型は労働集約型の分野で重要な可能性を秘めています。
ただし、従来のハンドエクソスケルトンのほとんどは、制約された設置条件では出力が制限されているモーターによって駆動されます。
その上、彼らはまた、高出力消費、複雑でかさばる支援システム、および高い不安定性の欠点を備えています。
この作業では、グリップ持久力を改善するために力と力と力の比率を提供する磁気（MR）クラッチと統合された新しい手骨型を開発します。
クラッチは、強化された構造設計、マイクロローラー強化構造を備えており、これは出力力を大幅に高めることができます。
実験データは、クラッチが1.48 Wの消費で380 Nのピーク保持力を提供できることを示しており、手指節に使用される最も報告されたアクチュエーターの256.75N/Wの力と力と力の比率を生成します。
この機能により、設計されたMRHEは、約419.79 Nのサポート力を把握することができます。
設計されたMr Hand Exoskeletonは、外骨格フレーム、Mr Clutches、コントロールユニット、およびバッテリーを含む、高度に統合されています。
静的グリップ持久力テストと動的な持ち運びおよび持ち上げテストによる評価は、MRハンドエクセレトンが筋肉の疲労を効果的に軽減し、グリップ持久力を延長し、怪我を最小限に抑えることができることを確認しています。
これらの調査結果は、産業環境での持ち運びや持ち上げなどの反復タスクにおける実用的なアプリケーションの強力な可能性を強調しています。

要約(オリジナル)

Hand exoskeletons have significant potential in labor-intensive fields by mitigating hand grip fatigue, enhancing hand strength, and preventing injuries. However, most of the traditional hand exoskeletons are driven by motors, whose output force is limited in the constrained installation conditions. Besides, they also come with the disadvantages of high power consumption, complex and bulky assistive systems, and high instability. In this work, we develop a novel hand exoskeleton integrated with magnetorheological (MR) clutches that offers a high force-to-power ratio to improve grip endurance. The clutch features an enhanced structure design, a micro roller enhancing structure, which can significantly boost output forces. The experimental data demonstrate that the clutch can deliver a peak holding force of 380 N with a 1.48 W consumption, yielding a force-to-power ratio of 256.75N/W, which is 2.35 times higher than the best-reported actuator used for hand exoskeletons. This capability enables the designed MRHE to provide approximately 419.79 N support force for gripping. The designed MR hand exoskeleton is highly integrated, comprising an exoskeleton frame, MR clutches, a control unit, and a battery. Evaluations through static grip endurance tests and dynamic carrying and lifting tests confirm that the MR hand exoskeleton can effectively reduce muscle fatigue, extend grip endurance, and minimize injuries. These findings highlight its strong potential for practical applications in repetitive tasks such as carrying and lifting in industrial settings.

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