外骨骼助力機(jī)器人研究現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域展望

摘要:總結(jié)性的介紹了當(dāng)前外骨骼助力機(jī)器人的研究和發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)典型的外骨骼助力機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能等的分析,并結(jié)合當(dāng)前探討了該裝置在未來的應(yīng)用前景,展望了未來的人體外骨骼助力機(jī)器人能達(dá)到的科技水平。

關(guān)鍵詞:外骨骼 機(jī)器人 助力

1 現(xiàn)狀

人體外骨骼助力機(jī)器人起源于美國1966年的哈德曼助力機(jī)器人的設(shè)想及研發(fā),到今天整體仍處于研發(fā)階段,能源供給裝置以及高度符合人體動(dòng)作敏捷及準(zhǔn)確程度要求的控制系統(tǒng)和力的傳遞裝置都有待大力投入研發(fā)和試驗(yàn)嘗試[1]。以下是近些年有代表性的研究成果。

1.1 日本外骨骼機(jī)器人HAL3 它由筑波大學(xué)研發(fā),功能為:幫助人行走、起立、坐下等下肢動(dòng)作的動(dòng)力輔助機(jī)器“機(jī)器人套裝(Robot suit)”HAL(Habrid Assist Legs),該機(jī)器人主要由無線LAN(局域網(wǎng))系統(tǒng)、電池組、電機(jī)及減速器、傳感器(地板反應(yīng)力傳感器、表面肌電傳感器、角度傳感器)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成,總重約17千克,設(shè)備較重,動(dòng)力傳動(dòng)采用電機(jī)-減速器-外骨骼機(jī)構(gòu)的方法。能夠根據(jù)人體的動(dòng)作意愿自動(dòng)調(diào)整裝置的助力大小。市場(chǎng)規(guī)劃:將主要面向高齡護(hù)理、殘疾人輔助、消防及警察等危險(xiǎn)作業(yè)的用途,并且加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)娛樂用途市場(chǎng)的開發(fā)力度,將針對(duì)各種用途進(jìn)行HAL的設(shè)計(jì)生產(chǎn)[2]。

具體產(chǎn)品可見以下鏈接網(wǎng)址:http://v.ku6.com/show/hkJUlIx1

wbzsJMYV.html

1.2 以色列:“外骨骼”助力裝置ReWalk 埃爾格醫(yī)學(xué)技術(shù)公司研發(fā)的“ReWalk”用一副拐杖幫助維持身體平衡,由電動(dòng)腿部支架、身體感應(yīng)器和一個(gè)背包組成,背包內(nèi)有一個(gè)計(jì)算機(jī)控制盒以及可再充電的蓄電池。使用者可以用遙控腰帶選定某種設(shè)置,如站、坐、走、爬等,然后向前傾,激活身體感應(yīng)器,使機(jī)械腿處于運(yùn)動(dòng)之中。主要用來助癱瘓者恢復(fù)行走能力[3]。動(dòng)力傳動(dòng)采用電機(jī)-減速器-外骨骼機(jī)構(gòu)的方法,運(yùn)動(dòng)模式主要是裝置帶動(dòng)人體動(dòng)作,裝置的助力大小由控制系統(tǒng)設(shè)定,不能跟隨人的動(dòng)作意愿而隨時(shí)改變。市場(chǎng)規(guī)劃主要是針對(duì)下肢癱瘓的顧客進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。

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Snews_20080827_6592478_0.html

1.3 美國伯克利大學(xué)軍方合作項(xiàng)目——外骨骼助力機(jī)器人士兵服

該裝置名為伯克利低位肢體外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)或稱作布利克斯(BLEEX),見圖1,是高級(jí)防御研究工程機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出來的,嘗試將自動(dòng)機(jī)械支柱與人的雙腿相連,以降低負(fù)重,從而使步兵能夠在負(fù)載更重的情況下行進(jìn)更長的路程。這套設(shè)備主要由燃料供給及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、控制及檢測(cè)系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及外骨骼機(jī)構(gòu),使用這種裝置的人要通過傳動(dòng)帶將自身的腿與機(jī)械外骨骼的腿相連,背上要背一個(gè)裝有發(fā)動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)的大背包,背包中同時(shí)還留有承載有效載荷的空間。動(dòng)力傳動(dòng)過程為:發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓系統(tǒng)-外骨骼機(jī)構(gòu)。該裝置能平衡掉設(shè)備的自重(有50千克),使人穿著時(shí)無負(fù)載感覺,且控制系統(tǒng)將保證它的重心始終是在使用者的雙腳上。該裝置的背包中還可負(fù)載32千克重量。而對(duì)使用者而言,他則只感覺像是背了2千克一樣[4]。這種裝置除了幫助士兵外,還可以協(xié)助醫(yī)療人員將傷員撤離開危險(xiǎn)地區(qū)或使消防員能夠攜帶很重的設(shè)備攀登上更多的樓層。

網(wǎng)絡(luò)視頻地址:http://www.tudou.com/programs/view/0WHN

Zpd3sMg/

1.4 美國另一個(gè)軍事合作項(xiàng)目,代表助力外骨骼機(jī)器人最新水平的Raytheon Sarcos XOS 圖2是Steve Jacobsen博士的得意之作機(jī)動(dòng)外骨骼 “XOS”[5],外骨骼“XOS”是為了創(chuàng)造出超人的士兵,而由美國國防部高等研究計(jì)劃局(DARPA)提供了1000萬美元的軍事研究預(yù)算,經(jīng)過7年秘密研發(fā)出來的,代表了機(jī)械外骨骼領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。它的控制思想同BLEEX一樣,控制系統(tǒng)通過檢測(cè)系統(tǒng)和微機(jī)系統(tǒng)判斷人的下個(gè)動(dòng)作,從而決定加給人體多大的助力及速度,并且也是通過液壓系統(tǒng)將力傳給外骨骼機(jī)構(gòu),但它是全身武裝的外骨骼,而BLEEX是下肢外骨骼機(jī)器人。

“XOS”動(dòng)作較從前的外骨骼設(shè)備動(dòng)作要敏捷的多并且強(qiáng)有力。利用附在身體上的傳感器,可以毫不延遲地反應(yīng)身體的動(dòng)作,輸出強(qiáng)大的力量。當(dāng)穿上“XOS”時(shí),能舉起90.7kg的重物而人體感覺只有9千克,能連續(xù)舉50-500次。但目前“XOS”有一個(gè)重大缺陷,就是自帶的電池只能使用40分鐘,如果解決這個(gè)問題,相信很快就可以實(shí)用化。

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080429_6222660_0.html

2 展望

大致上助力機(jī)器本人認(rèn)為可分為工程助力機(jī)器以及生物助力機(jī)器兩大類[1],工程助力機(jī)器已經(jīng)應(yīng)用的領(lǐng)域有汽車(如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))、工廠(如叉車、電葫蘆)以及各種工程機(jī)械(如挖掘機(jī)、起重機(jī));而生物助力機(jī)器主要是人類使用的外骨骼助力機(jī)器人,其中可用在三大方面,即軍事、民用、醫(yī)療?？梢哉f助力機(jī)器的本質(zhì)就是將人類本身的力量和動(dòng)作速度放大幾倍甚至上千倍。本文探討的外骨骼機(jī)器人技術(shù)是這個(gè)本質(zhì)的直接體現(xiàn),結(jié)合現(xiàn)在的研究進(jìn)展和人類的生存需要,我們可以展望將來的技術(shù)發(fā)展要達(dá)到助力設(shè)備就像我們?nèi)祟惔┐鞯囊路粯硬粌H不會(huì)對(duì)人了本身的動(dòng)作構(gòu)成阻礙,還能根據(jù)人的大腦意識(shí)將人的目標(biāo)動(dòng)作(力量及速度)放大到需要的目標(biāo)值,比如人自身不能抬起一輛小汽車,但穿戴外骨骼服裝后單獨(dú)的個(gè)體就能順利的舉起這輛汽車,并且還要能舉著它走或跑著運(yùn)動(dòng)起來。將來應(yīng)用的領(lǐng)域分析可見下圖3,由圖3可以看出,未來的外骨骼助力裝置能應(yīng)用在包括軍事、礦產(chǎn)、工業(yè)、醫(yī)療等等很多方面,由于未來需要人體的機(jī)能不斷提升,甚至要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越自身極限,外骨骼助力設(shè)備會(huì)顯得格外重要,最終成為必不可少的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn):

[1]李向軍.人體手臂助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究.北京交通大學(xué).碩士學(xué)位論文.2008.6.

[2]http://japan.people.com.cn/2003/8/22/2003822154337.htm.

[3]http://www.sina.com.cn 2008年08月27日 07:48 新浪科技網(wǎng).

[4]Adam B.Zoss,H.Kazerooni,Member,IEEE,and Andrew Chu Biom

echanical Design of the Berkeley Lower IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS,VOL.11,NO.2,APRIL 2006 page:128-138.

[5]http://www.raytheon.com/newsroom/technology/rtn08_exoskeleton.