外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

尹尹

摘 要：外骨骼機(jī)器人是一種可以穿戴的機(jī)器人，可以將外部的機(jī)械動(dòng)力裝置的機(jī)械能量與智能結(jié)合在一起，可以起到增加人的機(jī)能，具有額外的為人提供動(dòng)力的作用。近年來，外骨骼機(jī)器人發(fā)展快速，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)，軍事，科研等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。本文作一綜述講解外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：外骨骼機(jī)器人；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

外骨骼機(jī)器人是一種可以穿在人體外的機(jī)械，是一種人工的外骨骼，有些與昆蟲的外骨骼相似，能夠給人體提供保護(hù)以及能量[1]。穿上外骨骼機(jī)器人的人能夠輕松的完成艱難的任務(wù)。如可以讓肢體殘疾的人如同正常人一樣站立行走。現(xiàn)在，外骨骼機(jī)器人的研究已經(jīng)引起很多科學(xué)家的興趣，并從仿生學(xué)的角度研究人工外骨骼，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)，軍事，科研等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。本文作一綜述講解外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。

1 背景

外骨骼技術(shù)是從1960年開始研究的，美國通用研發(fā)的Hardiman外骨骼系統(tǒng)是最早的研究成功[2]。近年來，隨著外骨骼技術(shù)的研究，已經(jīng)出現(xiàn)外骨骼機(jī)器人，并得到廣泛的使用。在民用方面，外骨骼機(jī)器人能夠通過為老年人提供能量，使老年人正常的行走，提高日常生活的能力。在醫(yī)療方面，外骨骼機(jī)器人能夠通過為殘疾人提供保護(hù)，支撐，使殘疾人能夠正常的生活，減輕護(hù)理人員的工作壓力，提高殘疾人的生活質(zhì)量。在軍事方面，外骨骼機(jī)器人通過軍人提供能量和保護(hù)，減少人員傷亡的情況。外骨骼機(jī)器人在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，具有廣闊的前景。

2 研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料技術(shù)，傳感器技術(shù)，仿生學(xué)技術(shù)以及控制技術(shù)等領(lǐng)域出現(xiàn)突破，促進(jìn)了外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)。現(xiàn)在，外骨骼機(jī)器人的研究和應(yīng)用大多分為兩大類，分別為軍用和民用。在民用外骨骼機(jī)器人方面研發(fā)比較成功的是日本駐波大學(xué)HAL-5系統(tǒng)[3]，它主要是有內(nèi)裝計(jì)算機(jī)，背囊，分別分布在膝關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)的電傳裝置，電池感應(yīng)控制設(shè)備等組成。在使用者使用時(shí)，完全通過自動(dòng)的控制器進(jìn)行控制，不需要使用外部控制設(shè)備以及操控器。在背包中裝有所有的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，多種傳感器，計(jì)算機(jī)，測量系統(tǒng)，無線網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)力供應(yīng)設(shè)備等，是一種可以佩戴的混合控制系統(tǒng)。HAL-5可以幫助使用者進(jìn)行爬樓，步行，舉重等活動(dòng)。在軍用方面方面研發(fā)比較成功的是美國的人類負(fù)重外骨骼系統(tǒng)[4]，它可以幫助士兵長時(shí)間負(fù)重行軍。

3 發(fā)展趨勢

3.1 智能化

外骨骼機(jī)器人是一種可以與人類進(jìn)行密切聯(lián)系的機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)。在運(yùn)用的過程中使用大量的傳感器。隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展，外骨骼系統(tǒng)對(duì)外界的感知的能力以及與使用者之間的意識(shí)的連接會(huì)更準(zhǔn)確，另外，使用先進(jìn)的探測感應(yīng)裝置，將來使用外骨骼系統(tǒng)能夠在第一時(shí)間感知外界的環(huán)境，從而幫助使用擺脫危險(xiǎn)的情況。如幫助老年人或者殘疾人過馬路等。

3.2 人機(jī)耦合技術(shù)

人機(jī)耦合技術(shù)是一種外骨骼機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)智能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。使用者與外骨骼技術(shù)之間的操作是雙向的，另外，還可以集成多種的耦合的方式將信息耦合的渠道擴(kuò)展，提高信息交流的速度。將來，外骨骼機(jī)器人與人的意識(shí)的之間配合會(huì)更加密切。

3.3 模塊化

現(xiàn)在，外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)都是使用模塊化的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)者在研發(fā)系統(tǒng)使使用模塊化的設(shè)計(jì)，可以在不同的時(shí)代，對(duì)某一個(gè)模塊使用最新的科技，而不需要對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。在將來的外骨骼機(jī)器人的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，會(huì)更廣泛的使用模塊化的設(shè)計(jì)。

3.4 微型化

目前，正在研發(fā)的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)都比較笨重，對(duì)操作以及攜帶造成不利的營養(yǎng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)以及傳感器會(huì)越來越小，因此，將來的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)也會(huì)逐漸微型化，便于攜帶以及使用。比如，現(xiàn)在的HULC系統(tǒng)以及HAL-5系統(tǒng)是將控制系統(tǒng)放置在背包中的，將來，可以制造出想手機(jī)一樣小巧玲瓏并功能強(qiáng)大的控制器代替背包師的控制體統(tǒng)。另外，各個(gè)部位的傳感器也會(huì)使用更輕便的傳感器代替。

4 小結(jié)

外骨骼機(jī)器人是一種新興的技術(shù)，是一種可以穿戴的機(jī)器人，有些與昆蟲的外骨骼相似，能夠給人體提供保護(hù)以及能量。目前，外骨骼機(jī)器人主要在民用以及軍用領(lǐng)域中使用，也可以在醫(yī)療領(lǐng)域，工業(yè)生產(chǎn)中使用，具有廣闊的發(fā)展前景。目前，民用方面的外骨骼機(jī)器人主要是喪失部分運(yùn)動(dòng)能力的病人等。在軍用方面主要可以提高普通士兵的能力，通過外骨骼機(jī)器人的幫助可以讓普通士兵變成可以超級(jí)士兵隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展，外骨骼系統(tǒng)對(duì)外界的感知的能力以及與使用者之間的意識(shí)的連接會(huì)更準(zhǔn)確，快速，進(jìn)一步提高外骨骼系統(tǒng)的智能化水平。外骨骼機(jī)器人研發(fā)中人機(jī)耦合技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，可以使外骨骼機(jī)器人與人的意識(shí)的之間配合會(huì)更加密切。在將來的外骨骼機(jī)器人的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，會(huì)更廣泛的使用模塊化的設(shè)計(jì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)以及傳感器會(huì)越來越小，因此，將來的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)也會(huì)逐漸微型化，便于攜帶以及使用。劉會(huì)勇等[5]研究的下肢外骨骼助行機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究結(jié)果與本文結(jié)果具有一致性，說明本文研究結(jié)果具有重復(fù)性以及可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李坦東，王收軍，侍才洪，等.穿戴式外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及趨勢[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2016，37（9）：116-119.

[2]周加永，莫新民，張昂，等.外骨骼助力機(jī)器人研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016，37（10）：99-104.

[3]胡進(jìn)，侯增廣，陳翼雄，等.下肢康復(fù)機(jī)器人及其交互控制方法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2014，（11）：2377-2390.

[4]周達(dá)岸，李建軍.下肢外骨骼機(jī)器人的現(xiàn)狀與展望[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐，2013，（12）：1132-1134.

[5]劉會(huì)勇，趙青.下肢外骨骼助行機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，（8）：146-148，151.