機器人外骨骼

機器人外骨骼

外骨骼機器人技術是融合感測、控制、信息、融合、移動計算,為作為操作者的人提供一種可穿戴的機械機構的綜合技術。本文簡要介紹了軍事領域外骨骼世界機器人技術的發展現狀與趨勢。是指套在人體外面的機器人,也稱“可穿戴的機器人”。

研究現狀

人體外骨骼助力機器人起源於美國1966年的哈德曼助力機器人的構想及研發,到今天整體仍處於研發階段,能源供給裝置以及高度符合人體動作敏捷及準確程度要求的控制系統和力的傳遞裝置都有待大力投入研發和試驗嘗試。以下是近些年有代表性的研究成果。

1 日本外骨骼機器人HAL3 它由筑波大學研發,功能為:幫助人行走、起立、坐下等下肢動作的動力輔助機器“機器人套裝(Robot suit)”HAL(Habrid Assist Legs),該機器人主要由無線LAN(區域網路)系統、電池組、電機及減速器、感測器(地板反應力感測器、表面肌電感測器、角度感測器)、執行機構等組成,總重約17千克,設備較重,動力傳動採用電機-減速器-外骨骼機構的方法。能夠根據人體的動作意願自動調整裝置的助力大小。市場規劃:將主要面向高齡護理、殘疾人輔助、消防及警察等危險作業的用途,並且加強運動娛樂用途市場的開發力度,將針對各種用途進行HAL的設計生產。

2 以色列:“外骨骼”助力裝置ReWalk 埃爾格醫學技術公司研發的“ReWalk”用一副拐杖幫助維持身體平衡,由電動腿部支架、身體感應器和一個背包組成,背包內有一個計算機控制盒以及可再充電的蓄電池。使用者可以用遙控腰帶選定某種設定,如站、坐、走、爬等,然後向前傾,激活身體感應器,使機械腿處於運動之中。主要用來助癱瘓者恢復行走能力。動力傳動採用電機-減速器-外骨骼機構的方法,運動模式主要是裝置帶動人體動作,裝置的助力大小由控制系統設定,不能跟隨人的動作意願而隨時改變。市場規劃主要是針對下肢癱瘓的顧客進行產品開發。

3 美國伯克利大學軍方合作項目——外骨骼助力機器人士兵服

該裝置名為伯克利低位肢體外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)或稱作布利克斯(BLEEX),是高級防禦研究工程機構設計出來的,嘗試將自動機械支柱與人的雙腿相連,以降低負重,從而使步兵能夠在負載更重的情況下行進更長的路程。這套設備主要由燃料供給及發動機系統、控制及檢測系統、液壓傳動系統及外骨骼機構,使用這種裝置的人要通過傳動帶將自身的腿與機械外骨骼的腿相連,背上要背一個裝有發動機、控制系統的大背包,背包中同時還留有承載有效載荷的空間。動力傳動過程為:發動機-液壓系統-外骨骼機構。該裝置能平衡掉設備的自重(有50千克),使人穿著時無負載感覺,且控制系統將保證它的重心始終是在使用者的雙腳上。該裝置的背包中還可負載32千克重量。而對使用者而言,他則只感覺像是背了2千克一樣。這種裝置除了幫助士兵外,還可以協助醫療人員將傷員撤離開危險地區或使消防員能夠攜帶很重的設備攀登上更多的樓層。

可穿戴的機器人服裝將能夠幫助部隊提高戰鬥力和忍耐力。美國雷神公司最新研製的“Raytheon Sarcos”模型擁有爪狀手部。美國士兵穿戴這種裝備後,他們的力氣和忍耐力將比正常情況下提高20倍。對於洛克希德-馬丁公司的HULC模型,穿戴者可以輕易攜帶200磅(約合91公斤)重的物體,而且能以更小的能量消耗完成更繁重的任務。目前,美國陸軍士兵系統中心正在對機器人外骨骼進行軍事試驗。

4 美國另一個軍事合作項目,代表助力外骨骼機器人最新水平的Raytheon Sarcos XOS 圖2是Steve Jacobsen博士的得意之作機動外骨骼 “XOS”,外骨骼“XOS”是為了創造出超人的士兵,而由美國國防部高等研究計畫局(DARPA)提供了1000萬美元的軍事研究預算,經過7年秘密研發出來的,代表了機械外骨骼領域最尖端的技術。它的控制思想同BLEEX一樣,控制系統通過檢測系統和微機系統判斷人的下個動作,從而決定加給人體多大的助力及速度,並且也是通過液壓系統將力傳給外骨骼機構,但它是全身武裝的外骨骼,而BLEEX是下肢外骨骼機器人。“XOS”動作較從前的外骨骼設備動作要敏捷的多並且強有力。利用附在身體上的感測器,可以毫不延遲地反應身體的動作,輸出強大的力量。當穿上“XOS”時,能舉起90.7kg的重物而人體感覺只有9千克,能連續舉50-500次。但目前“XOS”有一個重大缺陷,就是自帶的電池只能使用40分鐘,如果解決這個問題,相信很快就可以實用化。

展望

大致上助力機器本人認為可分為工程助力機器以及生物助力機器兩大類,工程助力機器已經套用的領域有汽車(如電動助力轉向系統)、工廠(如叉車、電葫蘆)以及各種工程機械(如挖掘機、起重機);而生物助力機器主要是人類使用的外骨骼助力機器人,其中可用在三大方面,即軍事、民用、醫療。可以說助力機器的本質就是將人類本身的力量和動作速度放大幾倍甚至上千倍。本文探討的外骨骼機器人技術是這個本質的直接體現,結合現在的研究進展和人類的生存需要,我們可以展望將來的技術發展要達到助力設備就像我們人類穿戴的衣服一樣不僅不會對人了本身的動作構成阻礙,還能根據人的大腦意識將人的目標動作(力量及速度)放大到需要的目標值,比如人自身不能抬起一輛小汽車,但穿戴外骨骼服裝後單獨的個體就能順利的舉起這輛汽車,並且還要能舉著它走或跑著運動起來。將來套用的領域,由圖3可以看出,未來的外骨骼助力裝置能套用在包括軍事、礦產、工業、醫療等等很多方面,由於未來需要人體的機能不斷提升,甚至要遠遠超越自身極限,外骨骼助力設備會顯得格外重要,最終成為必不可少的產品。

軍事套用

從2000年開始,美軍開始從事“增強人體機能的外骨骼”(EHPA)項目的研究,計畫研製一種機器骨骼,提高人的軍事作戰方面的能力,計畫在2005年開始進行樣品試驗。未來士兵佩戴外骨骼機器人後,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。

士官長是經過一系列基因強化戰士的機密軍事計畫“斯巴達二號(SPARTAN II)”中倖存者之一,這就是你將操作的生物與電子各一半的個體,他是人類對抗星盟最後的寄託。在遊戲裡,你將是要作為救世主的角色揭開HALO的秘密,逃離環帶。

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