機械外骨骼研究方向分析

胡志廣

[摘? ? 要]文章對機械外骨骼的國內外發展現狀及應用領域進行了分析，通過分析發現當前對該領域的研究主要集中工業生產、醫療康復和軍工領域，而對助老方向的應用沒有足夠的重視。文章結合我國人口老齡化情況對助老方向進行了深度應用的挖掘，分析發現助老方向是非常值得重視的一個細分領域，文章還對機械外骨骼在助老方向的發展提出了未來的暢想。

[關鍵詞]機械外骨骼;研究方向;人口老齡化;助老

[中圖分類號]TP242 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–02

Analysis of the Research Direction of Mechanical Exoskeleton

Hu Zhi-guang

[Abstract]The article analyzes the domestic and foreign development status and application fields of mechanical exoskeleton. Through the analysis， it is found that the current research in this field mainly focuses on the fields of industrial production， medical rehabilitation and military industry， but does not pay enough attention to the application of helping the elderly. . The article combines the aging of our country's population to conduct in-depth application mining on the direction of helping the elderly. The analysis finds that the direction of helping the elderly is a subdivision area that is very worthy of attention. The article also proposes future visions for the development of mechanical exoskeleton in the direction of helping the elderly.

[Keywords]mechanical exoskeleton; research direction; population aging; helping the elderly

隨著科技的進步，我們的生活環境得到了極大的改善和提高。比如，過去的交通方式主要是人力步行或牲畜代行，逐漸有了自行車、蒸汽火車、蒸汽汽車等出行方式，再隨著科技的發展產生了燃油汽車、磁懸浮汽車、飛機等，我們當下科技更有太陽能汽車、電動汽車等更加先進的科技產物?？萍嫉倪M步給人類帶來了極大的便利，但是以上的科技產物都是作用于身體之外的，給我們身體之外帶來得了極大的方便，那么對于我們身體本身是否有這樣的科技產物直接作用于我們的身體，如手臂上、手上、腿部、腳上等從而給我們的身體活動帶來更多的方便。通過以上的思考，就有了以下的機械外骨骼的研究，通過外骨骼讓身體各部分實現更多的可能。

1 機械外骨骼的研究現狀分析

1.1 國外研究現狀

加拿大瓦?？萍脊狙邪l了超輕型被動式加固型綜合士兵外骨骼系統，從相撲運動員獲得構造靈感，用鈦支撐架采用機械杠桿原理將大部分負荷從肩膀轉移到地面來減輕操作者的負重，同時在沒有動力源的情況下模仿人類負重時的場景平衡重量。

日本松下的一家子公司研究發明了電動的外骨骼輔助裝置，采用倒Y形背包式的整體結構，通過自動感應輸入信號使得電動馬達帶動齒輪工作，從而拉動人體大腿及背部等位置減輕使用者腰部及背部的負擔。這套裝置在人行走過程中不工作，只有在使用者彎腰的情況下才進入工作狀態，裝置整體重量較輕，在5 kg左右;日本外骨骼公司SusTechno研發了一種整體質量只有2 kg左右的外骨骼，將裝置的束帶固定在肩膀、胸部及腿部借助空氣壓原理用于保護人體腰部。

新西蘭一家公司研發了仿生機械腿外骨骼，可以讓坐輪椅的患者站立、行走，該裝置利用電源通過操縱桿控制電機從而帶動腿部構件向前行走，但是整套裝置較重，重達38 kg。

美國Sarcos公司研制了配置大功率發動機的多自由度舉重物外骨骼機器人，它采用雙攝像頭和VR技術結合的同時采用了手勢識別系統，這個裝置還可以讓操作者感受到來自外骨骼的力量;該公司還推出了其他的功能的外骨骼機器人，比如GuardianXOS系列、S系列等多款外骨骼產品。

還有許多國外的公司、科研工作者和學者們也在致力于機械外骨骼的研究，按照功能劃分可分為康復訓練類、輔助作業類和輔助行走類;按照作用于身體的部位可分為：上肢和下肢。其中康復訓練類的研究主要有：美國（Woodway）、奧地利（SCHEPP）、瑞士（Hocoma）等。輔助行走外骨骼主要有：美國（EKSO）、日本（Cyberdyne）、新西蘭（RexBionics）、以色列（Rewalk）等。

1.2 國內研究現狀

我國機械外骨骼起步較晚，但隨著國家的推動及越來越多的企業、科研工作者和學者對機械外骨骼領域的研究，對機械外骨骼的研究從不同程度上提出了新的想法及構思，極大地推動了我國機械外骨骼領域的研究進程。

臺灣大學和浙江大學的師生研發了通過氣動裝置及繩傳動等結構結合的機械外骨骼，可以很大程度減小裝置的整體體積，但該外骨骼僅有單向勻速運動和停止兩個狀態。

傲鯊智能科技研發了工業領域的穿戴式剛性外骨骼，采用伺服電機驅動，在健康的人勞作時輔助人力的擴大，并對肩、肘、腕關節進行保護;我國大艾機器人公司、布法羅機器人公司及上銀科技公司均研發了下肢康復訓練外骨骼，輔助全部或部分喪失行走能力的患者恢復健康，如圖1所示。

目前我國還研發出了可穿戴的剛性結構單兵機械外骨骼裝置，采用多個傳感器及微型液壓系統的結合，為操作者的四肢提供額外的能量減小體力消耗，具有很好的防護性提高士兵生命安全，同時該裝置收到了國內外的一致好評。當然我國還有許多其他的該領域研究者都在致力于推動我國機械外骨骼技術的發展。

2 機械外骨骼可研究方向的挖掘

機械外骨骼是通過輔助動力配合人力驅動的非剛性連接裝置，是一種典型人機一體化助力裝置，穿在人體外以輔助人類實現各種動作，它是一種智能的柔性輔助裝置。目前國外對于機械外骨骼的研究相對比較超前，我國的研究起步較晚，從國際的視角來看，現在有許多公司、科研工作者及學者都在該領域努力的研究著并且有些研究成果已經開始量產。

隨著對機械外骨骼的深度研究，當前機械外骨骼在輔助作業、輔助行走、醫學康復和軍工4個細分領域得到了越來越多的重視。在輔助功能的角度，可以通過外骨骼來提高自身的能力，如搬運重物、行走奔跑等方面減少人們的體力消耗，減少身體負重和身體疲勞損傷，從而提高效率。在醫學康復的角度，對于受傷較嚴重的人群，比如上肢截癱或下肢截癱的患者，機械外骨骼可以幫助這部分人群像正常人一樣執行對應上肢及下肢的動作，彌補行為障礙，使自己的運動、行走和勞動力等不受影響，甚至比在正常情況下的運動、行走和勞作更好，提高他們的生活質量，增強他們的信心。在軍事的角度，士兵執行任務時需要長距離和時間的行走，并且需要攜帶物資等負重的裝備，這樣的負荷會致使士兵身體肌肉疲勞等不好的狀態產生，甚至會嚴重影響行軍速度、機動靈活性及持續作戰等能力，而機械外骨骼可以幫助士兵減輕身體負擔，促使士兵快速行動和移動，甚至抵擋槍彈的傷害。

因此，機械外骨骼的研究在輔助老年人的日常生活領域沒有得到足夠的重視，而我國當前社會人口老齡化嚴重，據國家統計局在2021年5月11日在國新辦發布的第七次全國人口普查數據顯示，全國60歲及以上的人口為26 402萬人、占全國總人口18.7%，其中65歲及以上的人口為19 064萬人、占13.5%，這是一個非常龐大的數字。老年人的體能逐漸下降，容易生病，特別是隨著年齡的增長老年人活動量減少導致骨頭內的血液循環變差，體內鈣就會逐漸流失致使骨質疏松，以上只是老年人出現的常見問題之一，還有許多其他的問題困擾著老年人的日常生活。在這樣的背景下，如果有一種機械外骨骼可以穿在老年人身上，讓老年人在日常生活活動中可以像中年人一樣生活，目前助老機械外骨骼依舊處于在初期階段。

3 未來展望

機械外骨骼具有非常重要的實用價值，個人認為其未來的應用是大勢所趨。當然，任何科技的產物都不是一蹴而就的，需要遵循客觀發展規律，各個領域的機械外骨骼應用也是這樣的，需要不斷地設計研發應用再迭代升級。針對助老方向機械外骨骼的未來發展有如下展望。

3.1 輕量化+柔性化

動力驅動系統多數都是較重的，保證一定強度和韌性的外骨骼材料及運動副的連接材料也都是有一定重量的，這些重量累加起來極可能給老年人的身體造成一定的負重;同時外骨骼的材料要保證一定的剛度要求，這樣才能達到支撐老年人身體各部位的要求，而這樣的剛度材料極大的可能對外骨骼的整理靈活性帶來影響。為了保證不給老年人帶來格外的負重并且保證活動靈活方便，所以希望未來的研究能向輕量化和柔性化的方向發展。

3.2 小型化+方便化

目前研制及量產的機械外骨骼多數都是比較大的，如果老年人穿上類似這樣的裝置，將及其不美觀也不方便存放，同時在日常的生活活動中也會帶來格外的負擔，想象一下穿上這樣的裝置轉身都需要一定的空間，所以希望未來的研究能向小型化和方便化的方向發展。

3.3 智能化+安全化

智能科技發展的今天，子女的外出繁忙工作不能時刻陪在老人身邊，如果可以遠程檢測到老年人的健康狀態將會是子女非常愿意看到的一個點;同時在動力驅動等方面的設計上，一定要安全可靠，不能有惡性人體傷害的情況發生。

3.4 價格親民化

當下有許多的科技產物可以提高我們的幸福指數，但是多數的科技產物價格昂貴，所以本來優秀的科技產物得不到廣泛推廣，不能給更多的老百姓帶來幫助。對于企業而言，產品獲得市場不僅靠優秀的性能，同時還需要用戶可以接受的價格，如果售賣價格在幾萬至十幾萬之間，甚至是更高，那么對于多數的老年人來說也只能望而卻步了，更達不到為更多的老年人服務的目的，也不能給更多的老年人帶來幸福。希望未來的助老機械外骨骼有一個親民的價格，讓所有有需要它的老年人都可以用上，給他們帶來價值，給他們帶來幸福。

4 結束語

無論從哪個角度分析，機械外骨骼都具有非常重要的實用價值，其未來的應用和發展將是大勢所趨。機械外骨骼從某種程度來說是一種可穿戴式的機器人，它融合了人機交互、仿生學、電氣控制、多位傳感、材料學等多領域技術知識。隨著各個領域的不斷發展進步，相信在未來助老型機械外骨骼產品一定會來到老年人的身邊，為老年人提供助力，為老年人提供幸福，也為老年人的家人提供安心、放心，更為國家人口老齡化而帶來的多方面問題提供一份解決問題的力量。

參考文獻

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