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機器人外骨骼

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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」。

1 機器人外骨骼 -簡介

機器人外骨骼機器人外骨骼

美國五角大樓認為,未來士兵應當全面實現機械化和自動機器人化,並責成國防高級研究計劃局負責,撥款5000萬美元從事這一領域內外骨骼機器人項目的研究。

在電影《外星人》中,有一個場景,里普利中尉藉助一種「動力裝載機」的獨特機器制服裝置,與怪物搏鬥。顯然,五角大樓的官員們反覆地觀看了這一電影,因而想為美軍士兵研製出一種真正的類似裝置,幫助背負重物的士兵輕鬆行走,提高部隊機動能力和戰鬥能力。

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,計劃研製一種機器骨骼,提高人的軍事作戰方面的能力,計劃在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。「千年噴氣機」公司研製的SoloTrekXFV外骨骼飛行器也屬於「外骨骼人體機能增強器」單兵裝備系統的一個部分,它能使未來士兵真正做到健步如飛。

在五角大樓國防高級研究計劃局資助下,從事外骨骼機器人研製項目的單位主要有加利福尼亞大學伯克利分校機器人和人體工程實驗室、OakRidge國家實驗室、鹽湖城人體機能研究所、「千年噴氣機」公司、SARCOS公司等。

2 機器人外骨骼 -原理

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外骨骼機器人的研製是個超級任務,要想製造一種可在需要的時候及時提供幫助且永遠不會妨礙士兵行動的自動機器人化裝置,替代他的手和足,承受95%的貨物背負任務,並與人體完全結合,不但要完成其願望,還要經常預判佩戴者的意圖,研製難度不可謂不大。主要問題是發動機,它必須功率強大,無噪音,因而又衍生出了動力源和燃料問題。

1960年,通用電氣公司研製了一種名為「哈迪曼1」的可佩戴單兵裝備,但只能替代人的一隻手。麻省理工學院也從1978年就開始,從事外骨骼機器人項目的研究,但至今尚未研製成功。目前,在五角大樓「增強人體機能的外骨骼」計劃框架內,在完全(包括腿和手)的、可幫助舉重若輕、健步如飛、可攜載更多彈藥和更重武器裝備的軍用外骨骼機器人研製方面,進展比較緩慢,不過,單個外骨骼機器人組件方面的研究還是有所進展。

美國SARCOS研究公司宣稱,公司已經研製出了一種可佩戴的、能量自動化機器人(WEAR)的原型,但是,不知是商業炒作后的沉默,還是因為項目已進入實質性研製階段,需要保密,這一方案具體到什麼時間能最終完成,現在並不未清楚。該公司曾承諾,要在2005年進行EWAR工作樣品的完全展示。

不過,伯克利大學機器人和人體工程實驗室負責的美軍「伯克利下肢末端外骨骼」(Berkeley Lowerextremityexoskeleton,BLEX)項目已經成熟。這種裝置由背包式外架、金屬腿及相應動力設備組成,使用背包中的液壓傳動系統和箱式微型空速感測儀作為液壓泵的能量來源,以全面增強人體機能。這種外骨骼機器人能保障士兵在平面或斜面上行走,伯克利大學工程師表示,很快將教會BLEEX奔跑和跳躍。但是,BLEEX畢竟只是兩條可控制的機械腿,距離五角大樓要求的、由雙手和雙腳組成的完全的外骨骼機器人還有相當的距離。看來,美國軍人在短期前景內裝備完全的外骨骼機器人的可能性並不太大,或許,美國將求助於在各種機器人研製方面經驗豐富的日本了。

日本筑波大學Cybernics實驗室的科學家和工程師們,研製出了世界上第一種商業外骨骼機器人(HybridAssistiveLeg,HAL),準確地說,是自動化機器人腿:「混合輔助腿」。這種裝置能幫助殘疾人以每小時4公里的速度行走,毫不費力地爬樓梯,HAL機器腿的運動完全由使用者通過自動控制器來控制,不需要任何操縱台或外部控制設備。HAL由背囊、內裝計算機和電池的一組感應控制設備、4個電傳裝置(對應分佈在髖關節和膝關節兩側)組成。這種幫助人行走的外骨骼動力輔助系統,配備較多的感測器,如角辨向器、肌電感測器、地面感測器等,所有動力驅動、測量系統、計算機、無線網路和動力供應設備都裝在背包中,電池掛在腰部,是一個可佩戴的混合控制系統,根據生理反饋和前饋原理研製的動力輔助控制器可以調整人的姿態,使其感到舒適。

日本科學家為研製這種外骨骼機器人,綜合運用了各種科學技術,如控制論、機械電子學、生物學、醫學、信息學、電子學、物理學、數學等。

除HAL「混合輔助腿」外,日本還研製成功了一種全身性外骨骼機器人。神奈川理工學院研製的「動力輔助服」(PowerAssistSuit)可使人的力量增加0.5-1倍,使用肌肉壓力感測器分析佩戴者的運動狀況,通過複雜的氣壓傳動裝置增加人的力量。事實上,這種裝置最初是為護士研製的,用來幫助她們照料體重較大或根本無法行走的病人。

看來,在外骨骼機器人研製方面,民用項目走在了軍用項目的前面。儘管至今尚未見到有士兵佩戴機械腿行走,但軍用外骨骼機器人正在逐漸成為現實,當然,由於一些技術參數,如工作延續性、尺寸、重量、反應速度等,還遠遠達不到「萬能士兵」的要求,要想使外骨骼機器人真正用於行軍打仗還需要一定時間的等待。

3 機器人外骨骼 -有關實驗

發展人體外骨骼的挑戰,儘管外骨骼的概念在美國科幻電影中出現已有數十年的歷史,但鑒於基礎技術的限制,它從來就不是一個實踐性的概念。能量供應是一個主要阻礙。 人體外骨骼的能量源必須是可移動的,並且能夠為穿衣者所分派的任務來提供足夠的能量。能量源美軍實用的外骨骼助力機器人也不應在任務進行中出現衰減。運動是另一個問題。人體可以走路,奔跑,及向前後任意彎曲。這些複雜的運動都已被證明是難以被機械所模擬的。  

人體外骨骼試驗:在2001年,美國國防部高級研究計劃局( DARPA )決心要克服外骨骼的發展上的技術問題。 DARPA的撥出5000萬美元用於為期5年的的用以軍事用途的外骨骼項目開發工作。   

實驗狀態下的外骨骼機器人:日本公司也一直在努力以商業用途開發外骨骼,特別是幫助殘疾人和老年人進行日常生活和生活(散步,爬樓梯,負載等)。   

雙方在外骨骼方面發展的努力被認為是成功的。報道稱由DARPA的資助的美國加州大學伯克利分校的項目,以及在在鹽湖城的sarcos研究公司已做好該領域演示的準備。日本則擁有HAL - 5 (第五代外骨骼系統,叫混合肢體輔助系統或HAL)。該系統是一個全身套裝,目的是對肌肉萎縮或腦或脊髓功能損傷的人們在無人力援助的情況下進行協助。這些發展正在緩慢地解決著多年來那些讓外骨骼只能停留在畫板上的障礙。

遲早,外骨骼會真正進入實用領域的。

4 機器人外骨骼 -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設想及研發,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[1]。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)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置,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。

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劃局(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。

5 機器人外骨骼 -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[1],工程助力機器已經應用的領域有汽車(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,但穿戴外骨骼服裝后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。將來應用的領域,由圖3可以看出,未來的外骨骼助力裝置能應用在包括軍事、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。

6 機器人外骨骼 -軍事應用

 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,計劃研製一種機器骨骼,提高人的軍事作戰方面的能力,計劃在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劃「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。在遊戲里,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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