外骨骼助力机器人研究现状及应用领域展望

摘要:总结性的介绍了当前外骨骼助力机器人的研究和发展现状,对典型的外骨骼助力机器人进行了结构和性能等的分析,并结合当前探讨了该装置在未来的应用前景,展望了未来的人体外骨骼助力机器人能达到的科技水平。

关键词:外骨骼 机器人 助力

1 现状

人体外骨骼助力机器人起源于美国1966年的哈德曼助力机器人的设想及研发,到今天整体仍处于研发阶段,能源供给装置以及高度符合人体动作敏捷及准确程度要求的控制系统和力的传递装置都有待大力投入研发和试验尝试[1]。以下是近些年有代表性的研究成果。

1.1 日本外骨骼机器人HAL3 它由筑波大学研发,功能为:帮助人行走、起立、坐下等下肢动作的动力辅助机器“机器人套装(Robot suit)”HAL(Habrid Assist Legs),该机器人主要由无线LAN(局域网)系统、电池组、电机及减速器、传感器(地板反应力传感器、表面肌电传感器、角度传感器)、执行机构等组成,总重约17千克,设备较重,动力传动采用电机-减速器-外骨骼机构的方法。能够根据人体的动作意愿自动调整装置的助力大小。市场规划:将主要面向高龄护理、残疾人辅助、消防及警察等危险作业的用途,并且加强运动娱乐用途市场的开发力度,将针对各种用途进行HAL的设计生产[2]。

具体产品可见以下链接网址:http://v.ku6.com/show/hkJUlIx1

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1.2 以色列:“外骨骼”助力装置ReWalk 埃尔格医学技术公司研发的“ReWalk”用一副拐杖帮助维持身体平衡,由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成,背包内有一个计算机控制盒以及可再充电的蓄电池。使用者可以用遥控腰带选定某种设置,如站、坐、走、爬等,然后向前倾,激活身体感应器,使机械腿处于运动之中。主要用来助瘫痪者恢复行走能力[3]。动力传动采用电机-减速器-外骨骼机构的方法,运动模式主要是装置带动人体动作,装置的助力大小由控制系统设定,不能跟随人的动作意愿而随时改变。市场规划主要是针对下肢瘫痪的顾客进行产品开发。

网络视频地址:http://vsearch.cctv.com/plgs_play-CCTVNEW

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1.3 美国伯克利大学军方合作项目——外骨骼助力机器人士兵服

该装置名为伯克利低位肢体外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)或称作布利克斯(BLEEX),见图1,是高级防御研究工程机构设计出来的,尝试将自动机械支柱与人的双腿相连,以降低负重,从而使步兵能够在负载更重的情况下行进更长的路程。这套设备主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构,使用这种装置的人要通过传动带将自身的腿与机械外骨骼的腿相连,背上要背一个装有发动机、控制系统的大背包,背包中同时还留有承载有效载荷的空间。动力传动过程为:发动机-液压系统-外骨骼机构。该装置能平衡掉设备的自重(有50千克),使人穿着时无负载感觉,且控制系统将保证它的重心始终是在使用者的双脚上。该装置的背包中还可负载32千克重量。而对使用者而言,他则只感觉像是背了2千克一样[4]。这种装置除了帮助士兵外,还可以协助医疗人员将伤员撤离开危险地区或使消防员能够携带很重的设备攀登上更多的楼层。

网络视频地址:http://www.tudou.com/programs/view/0WHN

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1.4 美国另一个军事合作项目,代表助力外骨骼机器人最新水平的Raytheon Sarcos XOS 图2是Steve Jacobsen博士的得意之作机动外骨骼 “XOS”[5],外骨骼“XOS”是为了创造出超人的士兵,而由美国国防部高等研究计划局(DARPA)提供了1000万美元的军事研究预算,经过7年秘密研发出来的,代表了机械外骨骼领域最尖端的技术。它的控制思想同BLEEX一样,控制系统通过检测系统和微机系统判断人的下个动作,从而决定加给人体多大的助力及速度,并且也是通过液压系统将力传给外骨骼机构,但它是全身武装的外骨骼,而BLEEX是下肢外骨骼机器人。

“XOS”动作较从前的外骨骼设备动作要敏捷的多并且强有力。利用附在身体上的传感器,可以毫不延迟地反应身体的动作,输出强大的力量。当穿上“XOS”时,能举起90.7kg的重物而人体感觉只有9千克,能连续举50-500次。但目前“XOS”有一个重大缺陷,就是自带的电池只能使用40分钟,如果解决这个问题,相信很快就可以实用化。

网络视频地址:http://vsearch.cctv.com/plgs_play-CCTV4_20

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2 展望

大致上助力机器本人认为可分为工程助力机器以及生物助力机器两大类[1],工程助力机器已经应用的领域有汽车(如电动助力转向系统)、工厂(如叉车、电葫芦)以及各种工程机械(如挖掘机、起重机);而生物助力机器主要是人类使用的外骨骼助力机器人,其中可用在三大方面,即军事、民用、医疗。可以说助力机器的本质就是将人类本身的力量和动作速度放大几倍甚至上千倍。本文探讨的外骨骼机器人技术是这个本质的直接体现,结合现在的研究进展和人类的生存需要,我们可以展望将来的技术发展要达到助力设备就像我们人类穿戴的衣服一样不仅不会对人了本身的动作构成阻碍,还能根据人的大脑意识将人的目标动作(力量及速度)放大到需要的目标值,比如人自身不能抬起一辆小汽车,但穿戴外骨骼服装后单独的个体就能顺利的举起这辆汽车,并且还要能举着它走或跑着运动起来。将来应用的领域分析可见下图3,由图3可以看出,未来的外骨骼助力装置能应用在包括军事、矿产、工业、医疗等等很多方面,由于未来需要人体的机能不断提升,甚至要远远超越自身极限,外骨骼助力设备会显得格外重要,最终成为必不可少的产品。

参考文献:

[1]李向军.人体手臂助力系统设计及实验研究.北京交通大学.硕士学位论文.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 新浪科技网.

[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.