可穿戴外骨骼助力機器人在體育中應用現狀的研究

摘要：目的：為了努力提高國內外骨骼機器人的技術水平，特別是設計出適合于各種體育訓練用途的外骨骼機器人結構，并提高其控制水平，發揮其應用優勢，為進一步促進大眾體育事業的高效發展及國民健康水平的穩健提升。方法：采用文獻資料法、訪談法、歸納和演繹法。結果：總的來說我國在這方面的發展還是處于研究探索的階段，雖已取得了巨大的進步但還有諸多不足之處。結論：國內外各大高校都在參與此項技術的研究，但應用領域寬而應用深度不夠，還需進一步進行該項技術在體育運動領域中的應用研究。。

關鍵詞：可穿戴;外骨骼;助力;體育

近年來，外骨骼機器人是軍事、工業、體育、物流、醫療及農業等領域的研究熱點，它的進一步發展很可能在體育中尤其是全面健身中掀起波瀾。外骨骼機器人在醫療中的應用由來已久也衍生出了許多產品，如CPM、減重懸吊步行器、上肢機器人、手功能外骨骼機器人及下肢穿戴助力步行器等，在軍事中有“勇士織衣”、“麥克法斯”手臂、模塊化外骨骼等，引入體育運動中的外骨骼機器人。外骨骼助力機器人分為以由電力、液壓、氣壓為動力來源的動力型，和常采用流體彈簧、渦卷彈簧、形狀記憶合金、彈性軟體材料的無動力型。可以助力、減傷、對傷病運動員的恢復、對普通人的運動、對患者自信心的恢復等都有極大的益處。目前全世界有關外骨骼機器人的相關研究一般出產于歐美等國家，歐洲相對而言該領域里研究更多一些，美國的設備產品營銷更勝一籌。而國內從事外骨骼機器人相關研究的主要集中在高校、研究所、科技創新企業等，如南京理工大學、北京工業大學、哈爾濱工業大學、浙江大學、華中科技大學、海軍航空工程學院、中國科學院合肥智能機械研究所、大艾外骨骼機器人、上海傅里葉外骨骼機器人以及杭州程天科技悠行等，也取得了一定的階段性成果。隨著體育運動領域中多種長距離、高強度、高風險性運動的愛好者逐漸增多，如遠足徒步、自行車旅行、彈跳運動、跳傘、滑翔翼、徒手攀巖，但受傷人數也隨之增多，而通過使用可穿戴外骨骼助力機器人，可有效降低受傷概率、疲勞感及防止運動過度對人體軟組織破壞和關節的磨損。但外骨骼機器人在體育運動中還沒有被大眾熟知，但廣泛應用是它的發展趨勢，希望可以探究當前此項技術的使用現狀，與相關領域的研究人員進行多方面的溝通與交流。

一、研究方法

查閱相關文獻資料，與相關專家及教師等探討研究，最后總結歸納。

二、研究結果

自1830年外骨骼機器人創意被英國人羅伯特?西摩提出以來至今，各國都在致力于此項研究，發明和申報了多項專利，并推廣至民用和軍用方面多領域使用。當前，我國外骨骼機器人技術已在生物電傳感器、微處理器、材料學和控制評估策略相關研究等方面取得突破，也已應用到體育及國民身體素質訓練的諸多領域，將有效提升教育中相關體育訓練的教學質量及輔助增強運動康復訓練效果，但還有諸多不足之處。第一，科研進展方面，面臨多種技術挑戰，如設備信息收集分析精確度控制、步態穩定控制、多傳感器數據融合、優化控制算法、強大承載能力、輕質先進材料、動力驅動技術及能源與人機協同等技術挑戰。第二，產品設計方面，產品設計形態和動作器種類單一，缺少針對性，軍用和醫用設備較多，民用設備較少，且重復率高缺乏創新點，大多產品忽略用戶的個人安全保障，缺乏對社會的大數據分析，且許多產品存在于初期階段，市場上成熟的商品較少。第三，與體育融合方面，體育項目種類繁多，人群總量較大，人機交互程序復雜繁瑣、時間耗費過久，與體育的融合不夠緊密，實際推廣應用較難。第四，群眾接受度方面，該類設備和產品對體育應用中現實個例研究較少，多為公司或高校在封閉性研發，社會上認可度和接納度較低。第五，商品銷售方面，目前可穿戴類外骨骼機器人設備所具備的功能有限，整體形象和外觀造型雷同且缺乏美感，缺乏資本的投入，也沒有吸引普通用戶購買的優勢，影響設備產品的銷售。

三、研究結論

總體而言，國內外各大高校都在參與此項技術的研究，但應用領域寬而應用深度不夠，還需進一步進行該項技術在體育運動領域中的應用研究。國內可穿戴外骨骼助力機器人研制出了不少外骨骼機器人樣機，但在科研進展、產品設計、與體育的融合、群眾接受及商品銷售方面都有需要巨大的改進空間。但外骨骼機器人造型設計仍有很大的提升空間，強化中樞-外周神經誘導功能，探索人體異構型外骨骼結構的新奇設計，充分發揮體育訓練過程中的外骨骼機器人輔助保護作用，是探索新的體育訓練方式發展的重要研究方向。

參考文獻

[1]衛錦萍.國外軍用可穿戴裝備發展探析[J].軍事文摘，2016（19）：33-35.

[2]聶志強.體育運動輔助訓練機器人技術的研究現狀與應用展望[J].運動，2019，000（003）：P.136-138.

[3]陳安迪、干靜等.有源外骨骼機器人外觀造型發展趨勢[J].機械，2020，47（09）：79-86.

[4]楊海樂，朱惠盈等.外骨骼穿戴式康復機器人研究綜述[J].計量與測試技術，2019，046（003）：40-44.

[5]申京玉，張仕民，陳沖，等.無動力外骨骼助力機器人研究進展[J].機械傳動，2020（2）.

作者簡介：蔣靜雅（1993-），女，漢，河南永城人，助教，碩士，江蘇護理職業學院，研究方向：運動損傷的康復與預防