机器与人类的结合:外骨骼机器人的现状和趋势

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机器与人类的结合:外骨骼机器人的现状和趋势

技术小能手 2018-07-06 11:00:50 浏览1876

机器与人类的结合是一种通俗的说法,专业术语叫外骨骼机器人。

外骨骼机器人听起来很拗口,其实大家应该都并不陌生,相信看过钢铁侠的人都被他的那套无所不能的装备折服,不过这离我们还比较遥远。离我们比较近的是在好莱坞科幻大片《明日边缘》中,外骨骼被汤姆·克鲁斯和士兵穿上后立马成为超级战士,战斗力爆棚。

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虽然这是科幻片的剧情,但是并不是异想天开。外骨骼机器人其实已经有了不少应用,目前主要应用有三个领域。一是军事领域,一个是医疗领域,还有就是最近几年才兴起的工业领域。

军事领域


其实,外骨骼机器人最早就是来源于军事领域。早在2000年,美国国防部为了增强士兵体能,提高单兵作战能力,提出了“外骨骼机器人”概念。我们可以简单的理解为它是附着于人体外部的“人工智能”。它为穿戴者提供保护,并根据人的肢体活动来感应、驱动机械关节执行动作,帮助使用者跑得更快、跳得更高、负重能力更强。

目前最知名的军事外骨骼机器人有两个,一个是美国雷神(Raytheon)公司的XOS,一个是洛克希德马丁(Lockheed Martin)公司的人类外骨骼负重系统(Human universal load carrier,简称HULC)。这两家公司都是美国国防部的巨额资助对象。这两家公司研究的侧重点并不一样,雷神公司专注研究全身机械外骨骼,而洛克希德马丁公司专注研究可增强下肢能力的机械外骨骼技术。

这里简单介绍一下雷神公司的XOS 2。该系统2010年推出,自重95kg,由各种传感器指定所需的力和位置,由自带的液压发动机提供动力。衡量它的性能的一个重要指标就是搬运重量的实际和察觉比,XOS2这款设备可以将实际和觉察比做到17:1,也就是说搬运170公斤的重物时,穿戴者会感到只搬运了10公斤。借助于这种外骨骼,士兵可轻松将90公斤重的重物举起几百次,却不会感到疲劳,此外,还可重复击穿3英寸(约合7.62 厘米)厚的木板。

听起来非常神奇,可是有读者可能会有些疑问,设备自重都有95kg,会不会普通人穿上根本走不动呢?答案是否定的,因为该套外骨骼装备由内燃液压发动机提供动力 ,无需人类承担,穿着这套外骨骼装备的士兵可以正常行走,甚至跑步。它不但不笨重,而且非常敏捷,可以穿着上下楼梯,甚至可以踢足球。如下图所示是士兵穿着这套装备踢足球的画面。穿上这款设备的士兵可以承担约3个士兵的工作量,可以帮助军方应对战场内外大量的后勤工作。

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医疗领域


外骨骼机器人第二个主要应用领域就是医疗康复领域。

该领域主要使用对象是腿脚不便的老年人及残障人士,穿戴了外骨骼机器人后,可以辅助恢复其腿部的行走能力,甚至帮助瘫痪在床的残障人士重新站立行走。这个领域的就佼佼者是以色列的Rewalk、日本的Cyberdyne、美国的EksoEkso Bionics 公司。

如下图所示是EksoEkso Bionics的产品Ekso(原名eLEGS)。该产品的目标是帮助截瘫者和其他活动不便者站立和行走。Ekso重20千克,由液压驱动,最高速度能达到3.2 km/h,电池可持续6个小时。

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国内面向医疗康复的骨骼机器人发展相对滞后。不过最近两年,国内也出现了几家商用的康复医疗外骨骼机器人公司。比如深圳迈步机器人面向偏瘫患者的外骨骼机器人BEAR H1、上海傅利叶智能外骨骼机器人Fourier X1等,但目前都还没有企业获得CFDA认证。

工业领域


外骨骼机器人第三个应用领域就是工业领域。属于最近几年新兴的,也是我们要重点介绍的领域。

这里先讲个小插曲,介绍一下外骨骼机器人是如何从医疗康复用途过度到工业领域的。2011年3月,日本发生了里氏9.0级的大地震,这种级别的地震影响非常大,引发了巨大的海啸,对日本东北部多个地区造成毁灭性破坏,其中就包括福岛县。更不幸的是,地震导致福岛第一核电站出现了严重的核泄漏。当时泄漏现场核辐射非常强,为了保护核电站现场抢险人员的安全,他们工作期间必须穿着60千克重量的防辐射服装,这基本上等于背着一个成年人在工作,工作效率极低,并且无法长时间工作。

当时日本的一家做医疗康复外骨骼机器人的公司,叫Cyberdyne,看到了新的机会,他们把自己设计的一款辅助残障人士行走的外骨骼设备HAL(混合辅助假肢,如下图所示)结合防护服重新进行改造。

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改造后的防护服本身具有感应装置,一旦感受到移动,机器支架便会辅助人员完成相应动作,使得工作人员可以省力的自由移动 。由于负重能力增强,还加装了防伽玛射线的隔板,可减少原先辐射量的60%。

此外,内部还配备了监测使用者生命象征的传感器,还加装了空调系统,以防止工作人员在建筑物反应堆内受热中暑。可以说是非常人性化了。如下图所示是一张核电站工作人员实验的图片。

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之后,有不少公司开始研发面向物流、建造、伐木、抢险等这些劳动强度很大的行业的外骨骼机器人。

这方面日本松下算是后起之秀,2016年松下旗下的Activelink公司研发了面向工业领域的外骨骼机器人,主要有三款产品,本文主要介绍用于货物搬运的AWN-03。

我们知道工人在工厂搬运货物时,需要经常弯腰,时间长了腰部会非常酸痛。小时候在田里帮大人插过秧的听众想必都深有同感,插一天秧整个人都要废了,这还是对于插秧这种不需要负重的情况。松下的这款设备就是用来帮助工人自动减轻搬运过程中的负重。如下图所示是工人穿着这套设备搬运货物的情景。

这款机器人有三大特点:

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穿戴非常容易,不需要别人帮助,一个人就能很方便的穿上或者脱掉。
整个工作过程自动化。首先你穿着它可以正常走路,没有任何不舒适的感觉。然后你开始弯腰搬运重物,设备上的传感器可以自动检测到你弯腰准备搬运的动作,电机通过传动装置为人体的四肢自动提供外部动力,可以轻松地帮工人减轻15公斤左右对腰部的负担。可能很多人对这个15公斤没什么概念,这里打个比方,我们办公室常见的那种可以加热的桶装水,装满水差不多19公斤,也就是说你穿着这套装备搬一桶桶装水基本不需要费多少力气。

该设备一次充电可以持续使用8个小时,也就是一个工作日的时间。

此外,松下还有一款用于长途行走、攀爬的外骨骼机器人,型号是PLN-01,它还有个形象的名字“忍者”。还有一款叫Power Loader的外骨骼机器人,面向专业领域,主要在更大型的生产基地、仓库中工作,或者参与一些重大的灾难救援工作。这里不多做介绍。

总结现状和趋势


1.总结现状
我们来总结一下外骨骼机器人的发展现状。目前国内外发展比较好的都是医疗康复型外骨骼机器人,主要有三个原因:

随着老龄化社会的来临和医疗水平提升,人们对康复医疗的需求越来越大。
相比于军事领域,康复医疗领域的门槛相对较低,各国在政策上也比较支持。而军用机器人的研发周期一般都比较长,而且需要重金投入,技术门槛和政策门槛也很高。

2.外骨骼机器人将来会如何发展呢?

我的观点主要有如下几点:
由于人口老龄化的发展、人类寿命的延长、以及医疗水平的提高,医疗康复类外骨骼机器人未来几年会迎来一个小爆发期

人口红利的消失,促进了工业用外骨骼机器人的应用,目前在帮助人类减轻负重、提升力量、提升工作效率等方面有了初步的应用。

外骨骼和特定目标人群结合的应用。外骨骼设备也许可以用到教育、体育等方面,比如借助外骨骼学习运动技能。举个开脑洞的例子,初学者学习游泳往往很难,这是因为单纯的口语教学很难变成肌肉记忆,使得很多人一直使用错误的动作,却意识不到。如果能够通过外骨骼设备设定一连串标准的游泳姿势,牵引人类进行重复练习,慢慢形成肌肉记忆,应该是一个不错的学习方式。

原文发布时间为:2018-07-05
本文作者:electech6
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