可穿戴式機器人的研究進展

薛澤浩 陳家霖 黃柄常 李詩慧

摘 要：本文基于可穿戴式機器人的社會需求，對可穿戴式機器人的研究進展、應用領域以及面臨的挑戰和設計上需要解決的問題進行簡要闡述，以供了解可穿戴式機器人的發展現狀和未來方向。

關鍵詞：可穿戴機器人 軍事 輔助康復 農業 挑戰

一、當前，隨著社會的發展，全世界的人口老齡化問題趨勢日益嚴重。

而老年人普遍存在體力不支，行走不便等狀況，給家庭和社會都帶來了壓力和負擔。因此，針對老年人和殘疾者的這種行走困難、吃力的狀況，研究開發一種穿戴舒適的，可以為老年人或殘疾人提供助力的外骨骼，使其能夠幫助老年人行走、適當負重等，可在一定程度上緩解社會的壓力。

另一方面，雖然傳統輪式交通工具是遠行與負重的主要方式，但是它對路面環境等要求較高，很多領域仍然無法進入。基于軍事、科考、消防等領域的需求，美國等一些國家的實驗室和研究機構研制出了穿戴式外骨骼機構。這種機構能為穿戴者提供充足的力量和耐力來增強的長距離行走和負重等能力，從而完成一些特殊任務。

二、可穿戴式機器人的概述

外骨骼原意是指節肢動物身體的堅硬外殼，它為動物自身提供支撐、運動、防護等功能。而可穿戴式機器人是一個基于人身體形狀和功能所設計的機電一體化系統，結合了人外形上的一些部位和關節，可以被看作是一種補充、提高或者代替人類功能的技術。隨著技術研究的進步，它將具有感知、預測、自主控制等功能。這款機器人的物理接口允許機械能的直接轉換和信息交換，它可以在一個智能環境中與人進行親密的工作、互動以及合作，已經應用在遙操作、人肌增強和康復方面，從而救助運動控制受損的人。

可穿戴式機器人是從軍事領域需求中發展而來，旨在幫助人攜帶更多負載的機器人，以至于完成各種工作。美國五角大樓認為，未來士兵應當全面實現機械化和自動機器人化，并責成國防高級研究計劃局負責，撥款5000萬美元從事這一領域內可穿戴機器人項目的研究。即士兵佩戴可穿戴機器人后，將成為一名超級士兵，擁有無窮的力量，可攜載更多的武器裝備，火力威力增強，防護水平提高，同時可克服任何障礙，高速前進，不會產生疲勞感，以至于提高戰斗力。

三、可穿戴式機器人的應用領域

（1）軍事領域

很早就有科幻小說提及穿戴在人體外表、具備動力的特殊裝甲，借以提高人類的戰斗力，這樣的裝備即被稱作可穿戴機器人。而被大眾所熟知的“鎧甲勇士”便是可穿戴機器人的典型例子。可見可穿戴式機器人在軍事上的應用不容小覷。

2000年，美國國防高級研究規劃局發布的可穿戴機器人計劃的研制招標書，包括以下4個方面：

結構材料──必須使用堅固，輕型且有彈性的材料。這種材料必須能夠保護穿戴者，以大幅度減少傷亡。

輕巧的能源──攜帶的能源必須能夠維持24小時的工作，且輕巧完全無聲。

控制與動作──能夠同步跟隨使用者的動作，加強使用者的力量并模仿各種動作如跳躍跑動等。

液壓元件──動作必須流暢、高效且完全無聲。

可穿戴式外骨骼機器人助力的步兵只要有足夠的電源，長途行軍之后仍然能夠很快地挖掘更多、更深的工事。為了幫助士兵在陌生環境下準確、快速抵達地點并了解周圍敵我情況，軍用外骨骼機器人將會安裝GPS、夜視裝備等。更先進的型號甚至有可能按照指令或自行判斷，將負傷或失去知覺的士兵自行送到后方醫護地點。如果軍用可穿戴外骨骼機器人技術成熟，步兵的作戰效能將會大幅度提升，高速行軍的步兵將會再度在戰場發揮重大作用。

（2）醫療領域

脊髓損傷和中風患者經常需要步態康復，以幫助他們保持行走或加強其肌肉的能力。可穿戴的“機器人輔助訓練”作為一種有助于加強這種康復過程的技術正在迅速出現。

日前，來自中國北京航空航天大學和丹麥奧爾堡大學的研究人員團隊在這一領域取得了重大進展。他們設計了一個下肢機器人外骨骼，一個可穿戴的機器人，它具有自然的膝關節運動，可以顯著提高患者的舒適度，更愿意穿著它進行步態康復。

未來可穿戴機器人將利用健康管理系統來持續監測人體健康，一方面，這些智能設備用于實時監測和控制；另一方面，它們依靠其他人員（管理員、醫生），通過高水平網絡平臺與外部環境保持聯系。

（3）農業領域

東京農業技術大學發明了一款可穿戴農業機器人套裝，主要用在幫助一些年老的務農人員。該套裝的關節運動依靠裝在肩、腕、腰和膝關節處的超聲波馬達來驅動。這些馬達能夠幫助穿戴者向上舉起約20kg的重物。通過聲控命令，該機器人可以實現從簡單到復雜不同層次的操作。該機器人未來將不斷小型化，由目前的26kg降低到約10kg。

四、可穿戴機器人面臨的挑戰及存在的設計問題

（1）機械結構設計及系統與人體的協調型

外骨骼機械結構上要能替代使用者的手和足，提供足夠助力，且不與使用者發生干涉，有較好的協調性；擬人化外骨骼機構設計，包括外骨骼機械結構和關節運動副的優化設計，運動自由度的分配和冗余自由度選擇等，并達到穿戴舒適、操作靈活等特點；機械系統的設計還要考慮安全性問題，特別是應用于助老助殘等福利項目時，平衡性非常重要，為此要求機構要能夠調節平衡。

（2）環境的建模和穿戴者意向的交流

網絡通信的應用促進了可穿戴機器人的發展，第一，機器人不同部位（驅動器、傳感器、控制器等）之間相互聯系的控制系統和監控系統的模塊化和分布式結構，使用總線拓撲的多路有線網絡等，讓可穿戴機器人系統安全響應更快，如CAN和LIN技術。第二，利用無線技術（無線傳感器網絡、無線人體局域網、無線移動網絡等），由可穿戴機器人、環境和穿戴者之間建立網絡實現控制。

（3）能量存儲系統對于可穿戴設備的便攜性來說至關重要

由于需要相對高的效能和效率，電池、燃料單元和混合動力是目前可穿戴機器人最普遍使用的能量源，其他類型的驅動也有使用，比如超聲波馬達或者氣動人工肌肉。

參考文獻

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