机器人外骨骼 _生活百科

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机器人外骨骼【机器人外骨骼】外骨骼机器人技术是融合感测、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。本文简要介绍了军事领域外骨骼世界机器人技术的发展现状与趋势。是指套在人体外面的机器人，也称“可穿戴的机器人” 。
基本介绍中文名：机器人外骨骼
别名：可穿戴的机器人
套用：军事
时间：1960年
简介外骨骼机器人的研製是个超级任务，要想製造一种可在需要的时候及时提供帮助且永远不会妨碍士兵行动的自动机器人化装置，替代他的手和足，承受95%的货物背负任务，并与人体完全结合，不但要完成其愿望，还要经常预判佩戴者的意图，研製难度不可谓不大。主要问题是发动机，它必须功率强大，无噪音，因而又衍生出了动力源和燃料问题。1960年，通用电气公司研製了一种名为“哈迪曼1”的可佩戴单兵装备，但只能替代人的一只手。麻省理工学院也从1978年就开始，从事外骨骼机器人项目的研究，但至今尚未研製成功。目前，在五角大楼“增强人体机能的外骨骼”计画框架内，在完全(包括腿和手)的、可帮助举重若轻、健步如飞、可携载更多弹药和更重武器装备的军用外骨骼机器人研製方面，进展比较缓慢，不过，单个外骨骼机器人组件方面的研究还是有所进展。美国SARCOS研究公司宣称，公司已经研製出了一种可佩戴的、能量自动化机器人(WEAR)的原型，但是，不知是商业炒作后的沉默，还是因为项目已进入实质性研製阶段，需要保密，这一方案具体到什幺时间能最终完成，现在并不未清楚。该公司曾承诺，要在2005年进行EWAR工作样品的完全展示。不过，伯克利大学机器人和人体工程实验室负责的美军“伯克利下肢末端外骨骼”(Berkeley LowerExtremityExoskeleton ， BLEX)项目已经成熟。这种装置由背包式外架、金属腿及相应动力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速感测仪作为液压泵的能量来源，以全面增强人体机能。这种外骨骼机器人能保障士兵在平面或斜面上行走，伯克利大学工程师表示，很快将教会BLEEX奔跑和跳跃。但是， BLEEX毕竟只是两条可控制的机械腿，距离五角大楼要求的、由双手和双脚组成的完全的外骨骼机器人还有相当的距离。看来，美国军人在短期前景内装备完全的外骨骼机器人的可能性并不太大，或许，美国将求助于在各种机器人研製方面经验丰富的日本了。日本筑波大学Cybernics实验室的科学家和工程师们，研製出了世界上第一种商业外骨骼机器人(HybridAssistiveLeg ， HAL) ，準确地说，是自动化机器人腿：“混合辅助腿” 。这种装置能帮助残疾人以每小时4公里的速度行走，毫不费力地爬楼梯， HAL机器腿的运动完全由使用者通过自动控制器来控制，不需要任何操纵台或外部控制设备。HAL由背囊、内装计算机和电池的一组感应控制设备、4个电传装置(对应分布在髋关节和膝关节两侧)组成。这种帮助人行走的外骨骼动力辅助系统，配备较多的感测器，如角辨向器、肌电感测器、地面感测器等，所有动力驱动、测量系统、计算机、无线网路和动力供应设备都装在背包中，电池挂在腰部，是一个可佩戴的混合控制系统，根据生理反馈和前馈原理研製的动力辅助控制器可以调整人的姿态，使其感到舒适。日本科学家为研製这种外骨骼机器人，综合运用了各种科学技术，如控制论、机械电子学、生物学、医学、信息学、电子学、物理学、数学等。除HAL“混合辅助腿”外，日本还研製成功了一种全身性外骨骼机器人。神奈川理工学院研製的“动力辅助服”(PowerAssistSuit)可使人的力量增加0.5-1倍，使用肌肉压力感测器分析佩戴者的运动状况，通过複杂的气压传动装置增加人的力量。事实上，这种装置最初是为护士研製的，用来帮助她们照料体重较大或根本无法行走的病人。看来，在外骨骼机器人研製方面，民用项目走在了军用项目的前面。儘管至今尚未见到有士兵佩戴机械腿行走，但军用外骨骼机器人正在逐渐成为现实，当然，由于一些技术参数，如工作延续性、尺寸、重量、反应速度等，还远远达不到“万能士兵”的要求，要想使外骨骼机器人真正用于行军打仗还需要一定时间的等待。有关实验发展人体外骨骼的挑战，儘管外骨骼的概念在美国科幻电影中出现已有数十年的历史，但鑒于基础技术的限制，它从来就不是一个实践性的概念。能量供应是一个主要阻碍。人体外骨骼的能量源必须是可移动的，并且能够为穿衣者所分派的任务来提供足够的能量。能量源美军实用的外骨骼助力机器人也不应在任务进行中出现衰减。运动是另一个问题。人体可以走路，奔跑，及向前后任意弯曲。这些複杂的运动都已被证明是难以被机械所模拟的。人体外骨骼试验：在2001年，美国国防部高级研究计画局（ DARPA ）决心要克服外骨骼的发展上的技术问题。DARPA的拨出5000万美元用于为期5年的的用以军事用途的外骨骼项目开发工作。实验状态下的外骨骼机器人：日本公司也一直在努力以商业用途开发外骨骼，特别是帮助残疾人和老年人进行日常生活和生活（散步，爬楼梯，负载等）。双方在外骨骼方面发展的努力被认为是成功的。报导称由DARPA的资助的美国加州大学伯克利分校的项目，以及在在盐湖城的sarcos研究公司已做好该领域演示的準备。日本则拥有HAL - 5 （第五代外骨骼系统，叫混合肢体辅助系统或HAL）。该系统是一个全身套装，目的是对肌肉萎缩或脑或脊髓功能损伤的人们在无人力援助的情况下进行协助。这些发展正在缓慢地解决着多年来那些让外骨骼只能停留在画板上的障碍。迟早，外骨骼会真正进入实用领域的。研究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构想及研发，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準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 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（区域网路）系统、电池组、电机及减速器、感测器（地板反应力感测器、表面肌电感测器、角度感测器）、执行机构等组成，总重约17千克，设备较重，动力传动採用电机-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 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定，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。动力传动採用电机-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。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) ，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。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。可穿戴的机器人服装将能够帮助部队提高战斗力和忍耐力。美国雷神公司最新研製的“Raytheon Sarcos”模型拥有爪状手部。美国士兵穿戴这种装备后，他们的力气和忍耐力将比正常情况下提高20倍。对于洛克希德-马丁公司的HULC模型，穿戴者可以轻易携带200磅(约合91公斤)重的物体，而且能以更小的能量消耗完成更繁重的任务。目前，美国陆军士兵系统中心正在对机器人外骨骼进行军事试验。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” ，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画局（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。利用附在身体上的感测器，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。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] ，工程助力机器已经套用的领域有汽车（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。将来套用的领域，由图3可以看出，未来的外骨骼助力装置能套用在包括军事、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。军事套用从2000年开始，美军开始从事“增强人体机能的外骨骼”(EHPA)项目的研究，计画研製一种机器骨骼，提高人的军事作战方面的能力，计画在2005年开始进行样品试验。未来士兵佩戴外骨骼机器人后，将成为一名超级士兵，拥有无穷的力量，可携载更多的武器装备，火力威力增强，防护水平提高，同时可克服任何障碍，高速前进，不会产生疲劳感。