可穿戴式機(jī)器人的研究進(jìn)展

薛澤浩 陳家霖 黃柄常 李詩(shī)慧

摘 要：本文基于可穿戴式機(jī)器人的社會(huì)需求，對(duì)可穿戴式機(jī)器人的研究進(jìn)展、應(yīng)用領(lǐng)域以及面臨的挑戰(zhàn)和設(shè)計(jì)上需要解決的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，以供了解可穿戴式機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)方向。

關(guān)鍵詞：可穿戴機(jī)器人 軍事 輔助康復(fù) 農(nóng)業(yè) 挑戰(zhàn)

一、當(dāng)前，隨著社會(huì)的發(fā)展，全世界的人口老齡化問(wèn)題趨勢(shì)日益嚴(yán)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(huì)都帶來(lái)了壓力和負(fù)擔(dān)。因此，針對(duì)老年人和殘疾者的這種行走困難、吃力的狀況，研究開(kāi)發(fā)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(dāng)負(fù)重等，可在一定程度上緩解社會(huì)的壓力。

另一方面，雖然傳統(tǒng)輪式交通工具是遠(yuǎn)行與負(fù)重的主要方式，但是它對(duì)路面環(huán)境等要求較高，很多領(lǐng)域仍然無(wú)法進(jìn)入。基于軍事、科考、消防等領(lǐng)域的需求，美國(guó)等一些國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)研制出了穿戴式外骨骼機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)能為穿戴者提供充足的力量和耐力來(lái)增強(qiáng)的長(zhǎng)距離行走和負(fù)重等能力，從而完成一些特殊任務(wù)。

二、可穿戴式機(jī)器人的概述

外骨骼原意是指節(jié)肢動(dòng)物身體的堅(jiān)硬外殼，它為動(dòng)物自身提供支撐、運(yùn)動(dòng)、防護(hù)等功能。而可穿戴式機(jī)器人是一個(gè)基于人身體形狀和功能所設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化系統(tǒng)，結(jié)合了人外形上的一些部位和關(guān)節(jié)，可以被看作是一種補(bǔ)充、提高或者代替人類功能的技術(shù)。隨著技術(shù)研究的進(jìn)步，它將具有感知、預(yù)測(cè)、自主控制等功能。這款機(jī)器人的物理接口允許機(jī)械能的直接轉(zhuǎn)換和信息交換，它可以在一個(gè)智能環(huán)境中與人進(jìn)行親密的工作、互動(dòng)以及合作，已經(jīng)應(yīng)用在遙操作、人肌增強(qiáng)和康復(fù)方面，從而救助運(yùn)動(dòng)控制受損的人。

可穿戴式機(jī)器人是從軍事領(lǐng)域需求中發(fā)展而來(lái)，旨在幫助人攜帶更多負(fù)載的機(jī)器人，以至于完成各種工作。美國(guó)五角大樓認(rèn)為，未來(lái)士兵應(yīng)當(dāng)全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)機(jī)器人化，并責(zé)成國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局負(fù)責(zé)，撥款5000萬(wàn)美元從事這一領(lǐng)域內(nèi)可穿戴機(jī)器人項(xiàng)目的研究。即士兵佩戴可穿戴機(jī)器人后，將成為一名超級(jí)士兵，擁有無(wú)窮的力量，可攜載更多的武器裝備，火力威力增強(qiáng)，防護(hù)水平提高，同時(shí)可克服任何障礙，高速前進(jìn)，不會(huì)產(chǎn)生疲勞感，以至于提高戰(zhàn)斗力。

三、可穿戴式機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）軍事領(lǐng)域

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

2000年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究規(guī)劃局發(fā)布的可穿戴機(jī)器人計(jì)劃的研制招標(biāo)書，包括以下4個(gè)方面：

結(jié)構(gòu)材料──必須使用堅(jiān)固，輕型且有彈性的材料。這種材料必須能夠保護(hù)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(shí)的工作，且輕巧完全無(wú)聲。

控制與動(dòng)作──能夠同步跟隨使用者的動(dòng)作，加強(qiáng)使用者的力量并模仿各種動(dòng)作如跳躍跑動(dòng)等。

液壓元件──動(dòng)作必須流暢、高效且完全無(wú)聲。

可穿戴式外骨骼機(jī)器人助力的步兵只要有足夠的電源，長(zhǎng)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(huán)境下準(zhǔn)確、快速抵達(dá)地點(diǎn)并了解周圍敵我情況，軍用外骨骼機(jī)器人將會(huì)安裝GPS、夜視裝備等。更先進(jìn)的型號(hào)甚至有可能按照指令或自行判斷，將負(fù)傷或失去知覺(jué)的士兵自行送到后方醫(yī)護(hù)地點(diǎn)。如果軍用可穿戴外骨骼機(jī)器人技術(shù)成熟，步兵的作戰(zhàn)效能將會(huì)大幅度提升，高速行軍的步兵將會(huì)再度在戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)揮重大作用。

（2）醫(yī)療領(lǐng)域

脊髓損傷和中風(fēng)患者經(jīng)常需要步態(tài)康復(fù)，以幫助他們保持行走或加強(qiáng)其肌肉的能力。可穿戴的“機(jī)器人輔助訓(xùn)練”作為一種有助于加強(qiáng)這種康復(fù)過(guò)程的技術(shù)正在迅速出現(xiàn)。

日前，來(lái)自中國(guó)北京航空航天大學(xué)和丹麥奧爾堡大學(xué)的研究人員團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)下肢機(jī)器人外骨骼，一個(gè)可穿戴的機(jī)器人，它具有自然的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，可以顯著提高患者的舒適度，更愿意穿著它進(jìn)行步態(tài)康復(fù)。

未來(lái)可穿戴機(jī)器人將利用健康管理系統(tǒng)來(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)人體健康，一方面，這些智能設(shè)備用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制；另一方面，它們依靠其他人員（管理員、醫(yī)生），通過(guò)高水平網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與外部環(huán)境保持聯(lián)系。

（3）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

東京農(nóng)業(yè)技術(shù)大學(xué)發(fā)明了一款可穿戴農(nóng)業(yè)機(jī)器人套裝，主要用在幫助一些年老的務(wù)農(nóng)人員。該套裝的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)依靠裝在肩、腕、腰和膝關(guān)節(jié)處的超聲波馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)。這些馬達(dá)能夠幫助穿戴者向上舉起約20kg的重物。通過(guò)聲控命令，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜不同層次的操作。該機(jī)器人未來(lái)將不斷小型化，由目前的26kg降低到約10kg。

四、可穿戴機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn)及存在的設(shè)計(jì)問(wèn)題

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)與人體的協(xié)調(diào)型

外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)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(fā)生干涉，有較好的協(xié)調(diào)性；擬人化外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副的優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)自由度的分配和冗余自由度選擇等，并達(dá)到穿戴舒適、操作靈活等特點(diǎn)；機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要考慮安全性問(wèn)題，特別是應(yīng)用于助老助殘等福利項(xiàng)目時(shí)，平衡性非常重要，為此要求機(jī)構(gòu)要能夠調(diào)節(jié)平衡。

（2）環(huán)境的建模和穿戴者意向的交流

網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用促進(jìn)了可穿戴機(jī)器人的發(fā)展，第一，機(jī)器人不同部位（驅(qū)動(dòng)器、傳感器、控制器等）之間相互聯(lián)系的控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的模塊化和分布式結(jié)構(gòu)，使用總線拓?fù)涞亩嗦酚芯€網(wǎng)絡(luò)等，讓可穿戴機(jī)器人系統(tǒng)安全響應(yīng)更快，如CAN和LIN技術(shù)。第二，利用無(wú)線技術(shù)（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線人體局域網(wǎng)、無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等），由可穿戴機(jī)器人、環(huán)境和穿戴者之間建立網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制。

（3）能量存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)于可穿戴設(shè)備的便攜性來(lái)說(shuō)至關(guān)重要

由于需要相對(duì)高的效能和效率，電池、燃料單元和混合動(dòng)力是目前可穿戴機(jī)器人最普遍使用的能量源，其他類型的驅(qū)動(dòng)也有使用，比如超聲波馬達(dá)或者氣動(dòng)人工肌肉。

參考文獻(xiàn)

[1]尹軍茂.穿戴式下肢外骨骼機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[D].北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[2]蔡兆云，肖湘江.外骨骼機(jī)器人技術(shù)研究綜述[J].國(guó)防科技，2007（12）：6-8.

[3]王偉.可穿戴機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2013.

[4]書山.揭秘美軍方奇異的外骨骼機(jī)器人研制項(xiàng)目[OL].OFweek機(jī)器人網(wǎng)，2014.08.01.

[5]楊曉紅.機(jī)器人——機(jī)器人的最新發(fā)展[J].軍事家，2009.04.