- 傳感器助力“鋼鐵俠”戰衣
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/6/20
2014年巴西世界杯揭幕戰上，一名患有截癱的巴西少年身穿一套“外骨骼”機器人，開出了本屆世界杯的第一球，從而成為全世界矚目的焦點。在中科院常州先進制造技術研究所，亦有一款高科技含量的機械外骨骼已研制成功，目前已進入調試階段。
有腿有腳的“鋼鐵外衣”，通過電機助力 今年3月，中科院常州先進所科研項目辦公室主任、副研究員陳劍和他的小伙伴們瞄準外骨骼機器人系統，研制了名為EXOP-1（認知外骨骼機器人1號）的外骨骼機器人。昨天上午在先進所見到他們，這群“80后”年輕人正忙著對機器人最后的調試。
被懸掛在先進所研究室的這套外骨骼，它有腳、有腿，與人的下半身十分相似，本體全部由航空鋁打造，在人體的腰部和腿部分別設有9處固定帶，并裝有22個傳感器， 6個驅動器和1個控制器，重約20公斤。
據介紹，穿上這一層“鋼鐵外衣”，就像操作一臺“機器戰甲”，力量會有大幅度的提高。“每條腿都有3個電機，每個電機對應了腿部的人體的髖關節、膝關節和踝關節，通過電機，達到給每個關節助力的作用。”在系統膝關節上側，記者看到還設置了5格檔位，身高1.7米到1.8米的人穿戴可以根據身高自行調節，而鞋子也是特別定制的，每只足底裝了4個傳感器。
一套外骨骼系統造價在30萬元以內。從3月份立項，到搭建本體、做控制程度、傳感器，陳劍和他的團隊相繼攻克了降低機器人重量、電機聯調和如何準確獲取運動意圖等難題，預計本月底試制完成樣品。
通過一個頭盔，截癱患者可用意念實現站立、行走
在身上穿一層“鋼鐵外衣”，行動還能自如？陳劍現場給我們進行了演示。
在工作人員的幫助下，陳劍先將腳固定在機器人的“腳上”，然后再將小腿、大腿和腰部與機器人固定在一起，打開開關后，準備行走。只見陳劍輕輕一抬腿，機器人很快就感知到了這個動作，以幾乎相同的角度屈伸跨步。
據介紹，按驅動方式分，目前世界上研制的外骨骼機器人有液壓驅動、氣動驅動和電機驅動，而他們研制的就是第三種。“就像我剛剛做的動作，人要抬腿走路時，會產生一個運動趨勢，這個信號傳達給足底的傳感器，反應到大小腿肌肉，再傳達給控制器和驅動器，繼而自動設定關節的旋轉角度，系統本身通過檢測壓力變化和人體姿態變化，解讀運動意圖，推動人體行走，達到相一致的動作，這就是機器人的工作原理。”
而在世界杯亮相的這一套外骨骼機器人系統，由加州伯克利分校研制。先進所助理研究員王玉成博士分析，巴西這套外骨骼的工作原理，和他們研究的有所不同。
通過一個頭盔，監測截癱患者的大腦神經信號，信號將傳輸給外骨骼機器人系統，系統根據患者的意念展開行動，從而實現站立、行走。“但是，這種信號傳遞方式，有諸多的不穩定性，因為腦電識別的動作也是有限的。”
能協助負重70公斤的重物，也能一拳打穿墻體救人
外骨骼機器人的概念最先在上世紀60年代由美國通用公司提出，上世紀70年代，美國麻省理工大學也開始立項研究。2000年以后，加州伯克利分校研制的外骨骼系統被美國軍方看中，開始運用到軍事領域。之后，歐洲的汽動外骨骼機器人和日本以康復訓練為主的外骨骼機器人相繼問世，中國起步較晚。
“在美國，外骨骼機器人通過不斷調整功能，成為可以多功能地輔助人體機能的系統。”陳劍告訴記者，當時外骨骼的運用主要分為兩類，一類是軍用，以負重為主，另一類是商用，全身性地以增強人體功能。
事實上，在民用領域，外骨骼機器人也可以廣泛應用于登山、旅游、消防、救災等需要背負沉重的物資、裝備而車輛又無法使用的情況。
而陳劍團隊研制的，屬于助力負重型的機器人。陳劍比了個形象的概念：假如你要負重200斤的東西，穿上外骨骼機器人，這件事情就變得輕而易舉。“其中80%的重量都能通過機器人助力。”
EXOP-1計劃承受負重70公斤，其中助力功預計達到70%以上，目前已有多地消防公安部門有預訂意向。“我們設計的外骨骼是給正常人穿戴的，可以運用在消防救火上，幫助消防員負重滅火物資。”
目前，他們團隊的第二代認知外骨骼機器人也已經在研制中，相比第一代，從系統到助力功效，將有更大的提升。“高樓大廈著火，穿著外骨骼的‘鋼鐵蜘蛛人’去滅火，或者在災區，一拳打穿墻體救人，也不是沒有可能。”
外骨骼機器人
外骨骼機器人實質上是一種可穿戴機器人，它將人的智能與外部機械動力裝置的機械能量結合在一起，可以給人提供額外的動力或能力。由于其安裝位置和產生的作用和生物界中的骨骼很相似，故將其稱為人類外骨骼。
應用仍有多重困難
據了解，雖然人類外骨骼在最近十幾年取得了很大的進展，然而現實中還有許多問題需要解決。
目前人類外骨骼主要通過采集肌電信號和力反饋的方法來獲取穿戴者的運動意圖，肌電信號采集的方法有很嚴格的外界環境限制，一旦信號采集的地方發生微小的變化（如流汗等）就會干擾信號的采集；而力反饋法具有本質上的滯后性，當穿戴者做出快速的運動或者高難度的動作時就會有阻礙感。
人類外骨骼主要通過捆綁的方式與穿戴者連接在一起，而這種方式具有很大的缺陷，如人體捆綁部位會因帶子的束縛產生血液流通不暢等問題；捆綁處因肌肉的收縮、伸展產生的形狀變形會很大程度上影響人類外骨骼的定位精度。
而且，人類外骨骼使用的便攜式能源只能給系統提供2至9小時的續航時間，所以開發新的便攜能源將成為需要解決的研究難題。
此外，由于人類的生理機構具有承受極限，每個關節有運動范圍的限制，因此在人類外骨骼設計中，要防止對穿戴者造成傷害。
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