外骨骼机器人的应用发展

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。外骨骼机器人的发展可追溯到19世纪,英国著名插画师Robert Seymour在1830年所绘的《Walking By Steam》中以蒸汽为动力的行走辅助装置启迪了无数科学工作者对这一概念的探索,也成为了当代动力外骨骼技术的雏形。
1890年,当时一位叫尼古拉斯•亚根的俄罗斯人发明了一种用压缩空气包为动力的类外骨骼系统。1917年,美国发明家则开发了一种以蒸汽为动力的外骨骼。
到1970年,通用电气设计的Hardman系统,包含了30多个关节,能举起1500磅的重量。20世纪末期,随着电子技术、传感器技术和控制技术的飞速发展,外骨骼系统取得了历史性突破,美国军火巨头雷神公司通过收购Sarcos开发的XOS外骨骼系统,能帮助穿戴者轻易举起几百磅的物体数百次,这种系统由结构、传感器、执行器、控制器和高压液压系统组成。
除了军用,外骨骼机器人开始在商业上也有了发展。日本筑波大学的机械人专家三阶吉行和他的同事们在2004年创建了一个叫做“Cyberdyne”的公司,开始把他们花了十年时间研制的动力外骨骼机器人推向市场。他们研发了一款名为HAL的外骨骼机器人,主要用于医疗领域,帮助残障者行动和伤患复健。除了HAL,以色列的Rewalk、日本的HAL、美国的Ekso如今也是这个领域的佼佼者。
中国在外骨骼的研究上处于落后阶段,不过发展路径也是从军用到商用。
2013年,由南京军区总医院博士后工作站研发的首部外骨骼装置正式亮相,被定义为“单兵负重辅助系统”,面向军用领域、专注于压缩负重,并能够快速同步穿戴者的动作。尽管它被认为是目前国内最完善的外骨骼装置,但其功能相对单一,且负重能力以及设计结构仍有待提升。

 此外,由中科院常州先进所设计研发的EXOP-1外骨骼系统已于2014年正式进入调试阶段。本体全部由航空铝打造的它配备了22个传感器、 6个驱动器和1个控制器,造价在30万元左右。相比于在南京亮相的军用外骨骼系统和国外先进的外骨骼装备,EXOP-1虽然同样能够减轻穿戴者的负重,但它的体积相对笨重,难以在短期内投入使用。

 外骨骼机器人的应用发展_人工智能_人脸识别  

 左为南京军区外骨骼,右为中科院外骨骼  

而在商用市场,国内这两年却呈爆发趋势,主要是康复机器人的发展前景比较乐观。根据第三方咨询机构GrandViewResearch的预测显示,未来5年广义康复机器人的年复合增长率约为37%,其中康复机器人年复合增长率为21%,外骨骼机器人年复合增长率为47%,远高于其他类别的医疗机器人的平均增速。
目前国内外发展比较好的都是康复机器人,一方面是这个领域的技术门槛相对较低,另外政策上也比较支持。军用机器人研发周期比较长,外骨骼由此发展处另一个方向,即工业领域,帮助搬运工等减轻工作负担。松下为了让普通工人能够轻松地负重15公斤的重物到处移动,做了一个轻便版的外骨骼支架。当外骨骼的传感器检测到使用者弯腰举起重物时,电机通过传动装置为人体的四肢提供外部动力,减少人体的负担。

 外骨骼机器人的应用发展_人工智能_人脸识别

    松下外骨骼    

不过,现在要做工业能用的外骨骼,可能外骨骼会很大、很重,因为电机的功率,电池的续航还不够。未来电机、电池等基础部件要是有突破的话,工业外骨骼会迎来长远发展。

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