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 必赢官方网站     |      2020-02-16

让瘫痪多年的人站起来行走,让瘦弱的普通人成为力大无比的勇士,外骨骼技术使人类可以触摸这些梦想在好莱坞大片里,钢铁侠的英雄业绩让人血脉贲张,但是离开那套神奇的金属战衣,男主角无法拯救世界。那套战衣,正是科幻作家笔下外骨骼技术高度发达后的杰作。外骨骼技术是人类迫切希望提升个体能力的产物,它来源于生物学中的外骨骼概念,例如软体动物的介壳,虾、蟹、昆虫等的甲壳等。其实,古代士兵的盔甲就是最早的外骨骼,它能有效提升个人的防御能力。而今天,结合了机械电子、控制、生物、传感、信息融合、材料等技术的外骨骼技术更是得到前所未有的快速发展。把机器人穿在身上不是梦目前,外骨骼机器人系统大致可以分为两类,一类是控制型,一类是增力型。控制型外骨骼主要将人的灵活控制能力传递给智能机器人,应用于人类不能直接到达且控制极为复杂的机器人控制领域,例如:对核反应堆的操作,对空间机器人的人机耦合控制,对深海机器人的控制等极端环境下的控制等,国内外都有相关研究。增力型外骨骼机器人则主要应用在肌力增强、运动康复和国防军工等领域。日本筑波大学开发的HAL系列下肢运动辅助外骨骼,是目前研究较为成熟的下肢柔性外骨骼系统,可以协助步态紊乱的病人行走和增强人体负重行走能力。它采用角度传感器、肌电信号传感器和地面接触力传感器等设备来获得外骨骼和操作者的状态信息,同时拥有混合控制系统,包括控制身体姿态的自动控制器以及舒适助力控制器等,保证了外骨骼关节运动与人体下肢肌肉运动的一致性,支持穿戴者的日常活动。增力型外骨骼机器人技术给全世界的截瘫病人带来了希望。瑞士的联邦技术大学、Hocoma AG公司和德国神经康复训练中心分别开发了外骨骼系统Locomat和Hapticwalker。这些系统结合活动平板训练模式,改变传统卒中或者截瘫病人人工康复训练模式,减轻了理疗师的工作强度,保证了康复训练的质量,提高了训练效果。Locomat系统中还加入了人工智能,不仅帮助病人进行标准步态康复训练,还可以根据不同病人对标准步态抵触情况实时修正步态,实现人机之间的协调康复训练。外骨骼也是军方关注的技术。美国加州大学伯克利分校、洛克希德·马丁公司联合推出了提高单兵作战能力和负重行军能力的外骨骼系统HULC,美国雷神公司推出了用于搬运战场重物和增强士兵肌力的第二代外骨骼机器人XOS 2。它们的共同点是仿人肢体结构、动力强劲、能显著提高战士的负重能力和作战能力。XOS 2甚至被有的传媒称为“钢铁侠战衣”,穿上它,肌肉最不发达的人也可以不费吹灰之力地举起200磅的重物。另据报道,美国一家公司以HULC外骨骼模型为基础,开发了eLegs外骨骼系统。该系统有一个粘扣带、一个背包式的夹子和肩部背带,任何人都可以在一两分钟内迅速穿上或脱下;通过一套拐杖“阅读”使用者的手臂姿势,模拟人类自然步态,令截瘫患者站起来。据介绍,eLegs外骨骼将于2011年应用于部分康复中心,可能在2013年上市销售。在我国,针对外骨骼技术的研究虽然处于起步阶段,但起点高,发展比较迅速。其中,清华大学、浙江大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、天津大学、河北工业大学、中科院合肥智能机械研究所等相关科研机构,正在开展外骨骼技术相关研究工作。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室从上世纪90年代开始致力于人机一体化理论研究,并逐步衍生出人机智能柔性外骨骼技术研究,研制了气动下肢助力外骨骼,卒中和偏瘫病人上肢、下肢运动康复训练外骨骼系统等。走向实用仍然障碍重重不过,虽然经过几十年的发展,已经出现形形色色的外骨骼系统,人们还不能指望外骨骼目前就能在残疾病人中普及,或者马上就能用于战场。外骨骼技术走向实用仍然有很多障碍需要跨越。首先,外骨骼需要具有良好的可穿戴性,因此外骨骼机器人的机械结构和自由度分布应与人体运动关节结构和自由度相匹配,同时还可非常方便地根据不同穿戴者的体形和身材进行调节。其制造材料也要轻便,但必须具有足够的强度和韧性,同时不会影响穿戴者的健康。外骨骼机器人的驱动器应满足体积小、轻便、低功耗、大功率输出等要求,同时具有响应快、低惯性、高精度和高安全性等性能。为了实现柔性外骨骼设备的可移动性,需要体积小、重量轻、效率高、清洁环保的新型配套能源技术。而且,要实现整个外骨骼系统的柔顺控制,需要快速的信息传感技术获取所需的控制信息,并对多信息进行高效快速融合,发出控制指令。需要尖端的人机耦合接口技术,实现操作者和外骨骼之间的数据和信息双向传递,在感知层和执行层分别实现人和机器的统一。需要研究基于“人机一体化”思想的控制策略,研究人的智慧在整个控制系统中的作用,充分考虑人在整个控制环中的影响,建立全新的人机智能系统控制理论。建立人与外骨骼之间任务的合理分配规则研究,根据人和外骨骼各自的优势,进行任务分配。因此,外骨骼系统的实现与机器人技术、机电工程、微能源技术、微驱动技术、材料技术和控制技术等学科的发展密切相关。随着这些技术的发展,外骨骼机器人研究关键技术的突破,人们将会在太空空间站、深海载人潜水器遥控操作,单兵作战和武器输送,康复运动和辅助日常活动,娱乐和体育活动等多种场合见到外骨骼机器人的身影。(杨灿军/教授,博士生导师,浙江大学机械电子控制工程研究所副所长,国家康复辅具产业技术创新战略联盟理事会理事。主要专业方向为人机智能机电系统、深海机电装备技术)2011-01-12

中科院深圳先进院 吴新宇团队研制出下肢康复用外骨骼机器人

文| 草原骑士

本报讯(记者朱汉斌 通讯员冯春)近日,记者从中国科学院深圳先进技术研究院获悉,该院集成所智能仿生中心吴新宇团队经过两年多的技术攻关和临床实验,研发出一款可穿戴式下肢康复用外骨骼机器人,成功实现截瘫病人穿戴机器人站立行走。

来源| 智能相对论(aixdlun)

我国脊髓损伤患者以及行走不便患者数量较大并呈逐年上升趋势,其中包括偏瘫、截瘫病患以及行走不便的老人,使得助老助残问题日益成为一个重大的社会问题,但目前的一些康复设备无法满足这一巨大的需求。

近日,刘强东在头条号上发布视频,晒出京东公司为物流工作人员研发了一款外骨骼机器人,佩戴在工作人员的背部,以尽量减少频繁弯腰拿取商品造成的腰椎损伤。

据了解,该机器人采用小型化的动力系统,运用安全可靠的柔性控制来实现外骨骼机器人稳定的步态,从而具有一位看护照看多个病人、同步记录病人生理状态、穿戴简便省时省力、训练可因地制宜等多项优势。

无独有偶,福特公司最近宣布与Ekso Bionics公司合作,在美国的两家汽车工厂内对外骨骼机器人进行测试,并展示出了实际应用的视频。这款机器人能够帮助工人减轻五到十五磅的重量,从而减缓每天4600个日常高空作业任务对工人上半身所造成的压力。

“与国内外同类型机器人相比,我们研制的外骨骼机器人具有结构紧凑、多控制模式、智能步态规划、康复训练与残障人士助力行走兼顾的特色。”吴新宇说,该机器人是集成机械、电子、计算机、人工智能等技术于一身的复杂智能系统,是一个极具挑战性的项目。

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吴新宇团队先后研发出两代机器人样机。第一代样机能够较好地根据实际环境要求调整步态,但还无法很好地实现病患的穿戴行走。在第二代样机中,项目组成员通过大量的临床实验,基于康复机理设计出科学的步态规划。

有京东和福特这样的知名公司带头,可以预见,外骨骼机器人将很快在各大工厂应用起来。对普通员工来说,借助外骨骼机器人能够减轻工作中身体的负重压力,降低肩周炎、腰椎键盘突出等常见慢性疾病的发病率,确实是令人欣喜的好消息。

截至目前,该项目已申请7项国家发明专利。

为关心员工的好公司点赞的同时,我们不禁想搞明白,外骨骼机器人到底是什么高科技?穿上了它,是不是就拥有了钢铁侠的超强能力?

《中国科学报》 (2014-07-23 第4版 综合)

可以肯定的是,影视作品中的“高科技”往往极度超越现实。虽然人工智能技术正处在飞速发展阶段,但是现实生活中的外骨骼机器人的研发速度并没有那么快。智能相对论(微信号:aixdlun)简要讲述外骨骼机器人的前生今世,共同了解这项可能改变人类生活状态黑科技。

外骨骼机器人其实是美国军用装备

2000年,美国国防部基于增强士兵体能,提高单兵作战能力的目的,提出“外骨骼机器人”概念。实际上,外骨骼机器人不同于我们在以往的军事战争或科幻电影中所见到的铁甲洪流,而是附着于人体外部的“人工智能”。它为穿戴者提供保护,并根据人的肢体活动来感应、伺服、驱动机械关节重现动作,用以提供额外的动力,帮助使用者跑得更快、跳得更高、负重更强。

美国军方研制招标书提出4个要求:1.外骨骼系统必须能够保护穿戴者,以大幅度减少伤亡。2.外骨骼系统携带的能源必须能够维持24小时的工作,而且必须轻且完全无声。3.外骨骼系统必须能够让士兵背负更大质量的同时仍然能够跑得更快、跳得更高更远。4.必须采用流畅、高效且完全无声的液压元件。

在美国国防部的巨资支持下,雷神(Raytheon)公司的XOS和洛克希德马丁(Lockheed Martin)公司的人类外骨骼负重系统(Human universal load carrier,HULC)脱颖而出。同样是研究外骨骼机器人,两家公司的区别在于,雷神公司专注研究全身机械外骨骼,而洛克希德马丁公司专注研究可增强下肢能力的机械外骨骼技术。

从2000年开始立项,Sarcos Research经过6年研发,制作成功了第一款原型机XOS 1,也是XOS 2的原型。XOS 1搬运重量的实际和察觉比为6:1,也就是说搬运60公斤的重物时,穿戴者会感到只搬运了10公斤。2007年,雷神公司收购了Sarcos Research,并在2010年推出XOS 2。XOS 1当初设计的目的最主要是证明理论的可行性,XO2才对性能有了更高的要求,需要更轻、更快、更强的设计,并且需要降低能源消耗。XOS 2自重95公斤,相比第一代产品的重量轻了10%,搬运重量的实际和察觉比为17:1, 能源消耗也降低了50%。