在中科院常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，一款高科技含量的機(jī)械外骨骼已研制成功，目前已進(jìn)入調(diào)試階段。

 

　　這套外骨骼與人的下半身十分相似，本體全部由航空鋁打造，在人體的腰部和腿部分別設(shè)有9處固定帶，并裝有22個(gè)傳感器， 6個(gè)驅(qū)動器和1個(gè)控制器，重約20公斤。

　　能協(xié)助負(fù)重70公斤的重物，也能一拳打穿墻體救人。

 

　　2014年巴西世界杯揭幕戰(zhàn)上，一名患有截癱的巴西少年身穿一套“外骨骼”機(jī)器人，開出了本屆世界杯的第一球，從而成為全世界矚目的焦點(diǎn)。在中科院常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，亦有一款高科技含量的機(jī)械外骨骼已研制成功，目前已進(jìn)入調(diào)試階段。

 

　　有腿有腳的“鋼鐵外衣” 通過電機(jī)助力

 

　　今年3月，中科院常州先進(jìn)所科研項(xiàng)目辦公室主任、副研究員陳劍和他的小伙伴們瞄準(zhǔn)外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)，研制了名為EXOP-1(認(rèn)知外骨骼機(jī)器人1號)的外骨骼機(jī)器人。昨天上午在先進(jìn)所見到他們，這群“80后”年輕人正忙著對機(jī)器人最后的調(diào)試。

 

　　被懸掛在先進(jìn)所研究室的這套外骨骼，它有腳、有腿，與人的下半身十分相似，本體全部由航空鋁打造，在人體的腰部和腿部分別設(shè)有9處固定帶，并裝有22個(gè)傳感器， 6個(gè)驅(qū)動器和1個(gè)控制器，重約20公斤。

 

　　陳劍介紹，穿上這一層“鋼鐵外衣”，就像操作一臺“機(jī)器戰(zhàn)甲”，力量會有大幅度的提高。“每條腿都有3個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)對應(yīng)了腿部的人體的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，通過電機(jī)，達(dá)到給每個(gè)關(guān)節(jié)助力的作用。”在系統(tǒng)膝關(guān)節(jié)上側(cè)，記者看到還設(shè)置了5格檔位，身高1.7米到1.8米的人穿戴可以根據(jù)身高自行調(diào)節(jié)，而鞋子也是特別定制的，每只足底裝了4個(gè)傳感器。

 

　　一套外骨骼系統(tǒng)造價(jià)在30萬元以內(nèi)。從3月份立項(xiàng)，到搭建本體、做控制程度、傳感器，陳劍和他的團(tuán)隊(duì)相繼攻克了降低機(jī)器人重量、電機(jī)聯(lián)調(diào)和如何準(zhǔn)確獲取運(yùn)動意圖等難題，預(yù)計(jì)本月底試制完成樣品。

 

　　通過一個(gè)頭盔 截癱患者可用意念實(shí)現(xiàn)站立行走

　　在身上穿一層“鋼鐵外衣”，行動還能自如？陳劍現(xiàn)場給我們進(jìn)行了演示。

 

　　在工作人員的幫助下，陳劍先將腳固定在機(jī)器人的“腳上”，然后再將小腿、大腿和腰部與機(jī)器人固定在一起，打開開關(guān)后，準(zhǔn)備行走。只見陳劍輕輕一抬腿，機(jī)器人很快就感知到了這個(gè)動作，以幾乎相同的角度屈伸跨步。

 

　　據(jù)陳劍介紹，按驅(qū)動方式分，目前世界上研制的外骨骼機(jī)器人有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動，而他們研制的就是第三種。“就像我剛剛做的動作，人要抬腿走路時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)動趨勢，這個(gè)信號傳達(dá)給足底的傳感器，反應(yīng)到大小腿肌肉，再傳達(dá)給控制器和驅(qū)動器，繼而自動設(shè)定關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，系統(tǒng)本身通過檢測壓力變化和人體姿態(tài)變化，解讀運(yùn)動意圖，推動人體行走，達(dá)到相一致的動作，這就是機(jī)器人的工作原理。”

 

　　而在世界杯亮相的這一套外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)，由加州伯克利分校研制。先進(jìn)所助理研究員王玉成博士分析，巴西這套外骨骼的工作原理，和他們研究的有所不同。

 

　　通過一個(gè)頭盔，監(jiān)測截癱患者的大腦神經(jīng)信號，信號將傳輸給外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)患者的意念展開行動，從而實(shí)現(xiàn)站立、行走。“但是，這種信號傳遞方式，有諸多的不穩(wěn)定性，因?yàn)槟X電識別的動作也是有限的。”

 

　　能協(xié)助負(fù)重70公斤的重物 也能一拳打穿墻體救人

　　外骨骼機(jī)器人的概念最先在上世紀(jì)60年代由美國通用公司提出，上世紀(jì)70年代，美國麻省理工大學(xué)也開始立項(xiàng)研究。2000年以后，加州伯克利分校研制的外骨骼系統(tǒng)被美國軍方看中，開始運(yùn)用到軍事領(lǐng)域。之后，歐洲的汽動外骨骼機(jī)器人和日本以康復(fù)訓(xùn)練為主的外骨骼機(jī)器人相繼問世，中國起步較晚。

 

　　“在美國，外骨骼機(jī)器人通過不斷調(diào)整功能，成為可以多功能地輔助人體機(jī)能的系統(tǒng)。”陳劍告訴記者，當(dāng)時(shí)外骨骼的運(yùn)用主要分為兩類，一類是軍用，以負(fù)重為主，另一類是商用，全身性地以增強(qiáng)人體功能。

 

　　事實(shí)上，在民用領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人也可以廣泛應(yīng)用于登山、旅游、消防、救災(zāi)等需要背負(fù)沉重的物資、裝備而車輛又無法使用的情況。

 

　　而陳劍團(tuán)隊(duì)研制的，屬于助力負(fù)重型的機(jī)器人。陳劍比了個(gè)形象的概念：假如你要負(fù)重200斤的東西，穿上外骨骼機(jī)器人，這件事情就變得輕而易舉。“其中80%的重量都能通過機(jī)器人助力。”

 

　　EXOP-1計(jì)劃承受負(fù)重70公斤，其中助力功預(yù)計(jì)達(dá)到70%以上，目前已有多地消防公安部門有預(yù)訂意向。“我們設(shè)計(jì)的外骨骼是給正常人穿戴的，可以運(yùn)用在消防救火上，幫助消防員負(fù)重滅火物資。”

 

　　目前，他們團(tuán)隊(duì)的第二代認(rèn)知外骨骼機(jī)器人也已經(jīng)在研制中，相比第一代，從系統(tǒng)到助力功效，將有更大的提升。“高樓大廈著火，穿著外骨骼的‘鋼鐵蜘蛛人’去滅火，或者在災(zāi)區(qū)，一拳打穿墻體救人，也不是沒有可能。”

 

　　外骨骼機(jī)器人

 

　　外骨骼機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是一種可穿戴機(jī)器人，它將人的智能與外部機(jī)械動力裝置的機(jī)械能量結(jié)合在一起，可以給人提供額外的動力或能力。由于其安裝位置和產(chǎn)生的作用和生物界中的骨骼很相似，故將其稱為人類外骨骼。

 

　　延伸閱讀：應(yīng)用仍有多重困難

 

　　據(jù)了解，雖然人類外骨骼在最近十幾年取得了很大的進(jìn)展，然而現(xiàn)實(shí)中還有許多問題需要解決。

 

　　目前人類外骨骼主要通過采集肌電信號和力反饋的方法來獲取穿戴者的運(yùn)動意圖，肌電信號采集的方法有很嚴(yán)格的外界環(huán)境限制，一旦信號采集的地方發(fā)生微小的變化(如流汗等)就會干擾信號的采集；而力反饋法具有本質(zhì)上的滯后性，當(dāng)穿戴者做出快速的運(yùn)動或者高難度的動作時(shí)就會有阻礙感。

 

　　人類外骨骼主要通過捆綁的方式與穿戴者連接在一起，而這種方式具有很大的缺陷，如人體捆綁部位會因帶子的束縛產(chǎn)生血液流通不暢等問題；捆綁處因肌肉的收縮、伸展產(chǎn)生的形狀變形會很大程度上影響人類外骨骼的定位精度。

 

　　而且，人類外骨骼使用的便攜式能源只能給系統(tǒng)提供2至9小時(shí)的續(xù)航時(shí)間，所以開發(fā)新的便攜能源將成為需要解決的研究難題。

 

　　此外，由于人類的生理機(jī)構(gòu)具有承受極限，每個(gè)關(guān)節(jié)有運(yùn)動范圍的限制，因此在人類外骨骼設(shè)計(jì)中，要防止對穿戴者造成傷害。