淺析下肢外骨骼機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展前景

(1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 山東 青島 266590) (2.山東科技大學(xué)交通學(xué)院 山東 青島 266590)

淺析下肢外骨骼機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展前景

劉學(xué)彬1鄭偉1任保飛1趙士英1鄒亞男2

(1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院山東青島266590) (2.山東科技大學(xué)交通學(xué)院山東青島266590)

下肢外骨骼機(jī)器人屬于服務(wù)機(jī)器人，適用于醫(yī)療康復(fù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，伴隨機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，人體外骨骼機(jī)器人的得到了越來越多的重視。機(jī)器人的智能化，交通的快速化，人口的老齡化，醫(yī)學(xué)的發(fā)展都促進(jìn)了人體外骨骼的廣闊發(fā)展前景。下肢外骨骼機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)身體機(jī)能、康復(fù)訓(xùn)練、助力行走等功能，正逐漸成為社會(huì)中不可或缺的一部分。

下肢外骨骼機(jī)器人；醫(yī)療康復(fù)；智能化；發(fā)展前景

進(jìn)入21世紀(jì)以來，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展已經(jīng)趨向成熟化，新興的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開始呈現(xiàn)井噴趨勢(shì)，比如說，體內(nèi)機(jī)器人、情感機(jī)器人、空間機(jī)器人、人體外骨骼等等，本文只對(duì)人體下肢外骨骼機(jī)器人的現(xiàn)狀和發(fā)展前景進(jìn)行淺析。人體外骨骼是融合傳感、控制、信息、融合、移動(dòng)計(jì)算,為作為操作者的人提供一種可穿戴的機(jī)械機(jī)構(gòu)的綜合技術(shù)。主要有下肢外骨骼、上肢外骨骼、手指外骨骼和全身外骨骼等形式，又稱為“可穿戴的機(jī)器人”。隨著交通的快速化，人口的老齡化，心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)病人的增多，軍事領(lǐng)域的激烈競(jìng)爭(zhēng)，造就了人體外骨骼機(jī)器人的廣闊發(fā)展前景。本文主要從增強(qiáng)身體機(jī)能、康復(fù)訓(xùn)練、助力行走三個(gè)方面對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行淺析。

一、下肢外骨骼的增強(qiáng)身體機(jī)能

人體外骨骼的發(fā)展開始于軍事領(lǐng)域，最初的目的主要是增強(qiáng)人體的機(jī)能，應(yīng)用于軍事方面的長(zhǎng)途奔襲、搭載重裝備的情況。21世紀(jì)以來，很多國(guó)家開始重視下肢外骨骼機(jī)器人在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，不僅能夠適應(yīng)在復(fù)雜道路，而且其它交通工具很難替代外骨骼的應(yīng)用。比如說，美國(guó)伯克利大學(xué)和軍方合作項(xiàng)目：外骨骼助力機(jī)器人士兵服，它將自動(dòng)機(jī)械支柱和人體的兩條腿進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)降低負(fù)重，使得士兵可以攜帶更多、更重的裝備，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的行軍。時(shí)間就是生命，下肢外骨骼的出現(xiàn)讓未來的軍事產(chǎn)生了更多可能，雖然我們不喜歡戰(zhàn)爭(zhēng)，憎惡戰(zhàn)爭(zhēng)，但是我們也要武裝自己，讓我們國(guó)家的軍事實(shí)力越來越強(qiáng)，時(shí)刻準(zhǔn)備著抵御外敵，而隨著未來單兵機(jī)動(dòng)力、防護(hù)力、進(jìn)攻力和信息力的發(fā)展，必然使得單兵負(fù)重不斷增加，應(yīng)運(yùn)而生的是南京軍區(qū)南京總醫(yī)院日前研發(fā)了一款單兵外骨骼系統(tǒng)，令士兵變身為“鋼鐵俠”，這套單兵負(fù)重輔助系統(tǒng)是根據(jù)昆蟲外骨骼的仿生學(xué)原理研制而成的。在我們的平時(shí)生活中，外骨骼機(jī)器人可以幫助我們登山、旅游、救災(zāi)等方面，讓我們能夠背負(fù)更多物資和裝備，完成汽車等其他交通工具無法完成的任務(wù)。

二、下肢外骨骼的康復(fù)訓(xùn)練

下肢外骨骼機(jī)器人在對(duì)有運(yùn)動(dòng)障礙的人員當(dāng)中，特別是老年人和很多殘疾人的治療和康復(fù)過程中作用突出，不僅可以對(duì)護(hù)理人員匱乏、醫(yī)療費(fèi)用昂貴等問題進(jìn)行解決，而且一定程度上減少護(hù)理人員疏忽、訓(xùn)練不得當(dāng)?shù)葐栴}。下肢外骨骼的康復(fù)作用是醫(yī)學(xué)和機(jī)器人的完美結(jié)合，對(duì)心血管病人、中風(fēng)、下肢損傷等病人具有不可磨滅，也無可取代的作用。比如說，瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)研究的LOKOMAT康復(fù)機(jī)器人，主要是由步態(tài)矯正器、體重支持系統(tǒng)和跑臺(tái)三部分組成，通過提前偵測(cè)患者的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)順著患者行走軌跡，不能強(qiáng)制改變患者的行走軌跡，更好的實(shí)現(xiàn)人性化功能。LOKOMAT機(jī)器人以人為本，通過對(duì)機(jī)器人的評(píng)估，建立起一種更加有效，更加人性化，更加科學(xué)的治療方式。

三、下肢外骨骼的輔助行走

輔助行走機(jī)器人主要是幫助肢體行走有障礙的患者實(shí)現(xiàn)他們渴望的行走目的。外骨骼借鑒了腿式機(jī)器人、仿人機(jī)器人、仿生機(jī)器人等技術(shù)，通過全身遍布的傳感器獲得各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并傳遞給中央處理器，然后經(jīng)過必要的計(jì)算來調(diào)整外骨骼的動(dòng)作，研究出行走助力裝置。輔助行走機(jī)器人不僅能夠分擔(dān)患者自身體重的部分，使患者更好的步行、上下臺(tái)階等動(dòng)作，還能通過必要的計(jì)算對(duì)患者的步態(tài)軌跡進(jìn)行更人性化的優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如說，韓國(guó)西江大學(xué)研究的Intelligent Walking Assistive Robot,對(duì)身體較弱的老人，行走不變的病人都能夠完成很好的助力行走，擴(kuò)大了他們的活動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)能力，讓他們對(duì)生活更加的有信心。Intelligent Walking Assistive Robot由外骨骼和手推車兩部分組成，以電池和馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)元件，并將較重的裝置盡量設(shè)置于手推車中，可以減輕患者的負(fù)重，也能更好的保持患者的平衡，這將更有利于他們的行走。浙江大學(xué)研制的可穿戴式假肢，對(duì)下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用自適應(yīng)模糊人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制方法進(jìn)行計(jì)算，算出患者的期望動(dòng)作并進(jìn)行具體的實(shí)施。

四、結(jié)論與前景

下肢外骨骼機(jī)器人給患者提供了“腿”，解決了行走障礙，提高了生活質(zhì)量，也緩解了家庭經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)醫(yī)療水平的期望，以及軍事領(lǐng)域的快速發(fā)展，人體下肢外骨骼機(jī)器人的發(fā)展一定會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)迅猛的發(fā)展。就目前而言，研究國(guó)外的發(fā)展相對(duì)更好，特別是美國(guó)、日本等國(guó)家。而我們中國(guó)起步相對(duì)較晚，技術(shù)也還相對(duì)欠缺，當(dāng)然也存在一些難點(diǎn)急需解決，比如說，驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇、助力裝置和操作者的協(xié)調(diào)，以及機(jī)構(gòu)的合理優(yōu)化等問題。綜上而言，下肢外骨骼機(jī)器人擁有非常好的前景，不僅僅是在軍事領(lǐng)域，更是在社會(huì)生活中。相信在未來的某個(gè)時(shí)期，下肢外骨骼技術(shù)就會(huì)像我們穿衣服一樣，會(huì)解決我們的困難，也可以實(shí)現(xiàn)大腦意識(shí)的傳遞，并成為我們生活不可缺少的一部分。

[1]百度百科

[2]柯顯信等.人體下肢外骨骼機(jī)器人的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)分析.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009年雙月刊第六期

[3]柴虎等.外骨骼機(jī)器人的研究發(fā)展.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013年

[4]歐陽小平等.助力型下肢外骨骼機(jī)器人現(xiàn)狀和展望.科技導(dǎo)報(bào)，2013

劉學(xué)彬(1990-)，男，漢族，學(xué)歷碩士研究生在讀，山東科技大學(xué)，研究方向機(jī)器人。