中科院新型電機驅動外骨骼機器人系統開始調試

在今年世界盃上，一位穿戴外骨骼的殘疾人開球吸引了全世界的眼球。外骨骼是目前世界上許多國家正在研製的先進技術，除了能夠幫助老人、殘疾人恢復運動能力，也可以大幅度增強普通人的體力。在軍事、救援等領域有着廣闊的前景。據悉，中科院常州先進製造技術研究所目前也在進行外骨骼技術的研究，他們研製的EXOP-1外骨骼系統開始進行系統調試，即將進入測試階段。而這還並非中國唯一正在進行的外骨骼研製項目，目前公開報道過的正在進行外骨骼相關技術研製的機構還包括中科院合肥智能機械研究所和解放軍南京總醫院。從圖片上來看，常州先進所的這套外骨骼完整性是國內公開的外骨骼系統中最高者。

從系統完整性和先進性角度而言，中科院常州先進所研製的這套系統是國內目前公開同類系統中最高的。不過目前為止這套系統還只包括了腰腿部分，尚未製作輔助手臂運動的上肢系統

今年3月，中科院常州先進所科研項目辦公室主任、副研究員陳劍向記者展示了該所正在研製的EXOP-1（認知外骨骼機器人1號）外骨骼機器人。據記者瞭解，目前研製團隊正在對系統進行調試，即將進入測試階段。

被懸掛在先進所研究室的這套外骨骼，目前還只有下半身。其主要結構材料為航空鋁合金，在對應穿戴者腰腿位置設有9處固定帶，裝有22個傳感器， 6個驅動器和1個控制器，重約20公斤。

據介紹，穿戴上這套外骨骼後，力量會有大幅度的提高。“每條腿都有3個電機，每個電機對應了腿部的人體的髖關節、膝關節和踝關節，通過電機，達到給每個關節助力的作用。”在系統膝關節上側，設置了5格檔位，身高1.7米到1.8米的人穿戴可以根據身高自行調節，而鞋子也是特別定製的，每隻足底裝了4個傳感器。

解放軍南京總醫院研製的外骨骼系統，從外形上看略顯粗糙，動力系統似乎只提供了膝關節助力能力

中科院合肥智能機械所2005年開始研製的外骨骼系統原理樣機

一套外骨骼系統造價在30萬元以內。從3月份立項，到搭建本體、做控制程度、傳感器，陳劍和他的團隊相繼攻克了降低機器人重量、電機聯調和如何準確獲取運動意圖等難題，預計本月底試製完成樣品。

為了向記者展示這套系統的工作方式，在工作人員的幫助下，陳劍先將腳固定在機器人的“腳上”，然後再將小腿、大腿和腰部與機器人固定在一起，打開開關後，準備行走。只見陳劍輕輕一抬腿，機器人很快就感知到了這個動作，以幾乎相同的角度屈伸跨步。

 

   

據陳劍介紹，按驅動方式分，目前世界上研製的外骨骼機器人有液壓驅動、氣動驅動和電機驅動，而他們研製的就是第三種。“就像我剛剛做的動作，人要抬腿走路時，會產生一個運動趨勢，這個信號傳達給足底的傳感器，反應到大小腿肌肉，再傳達給控制器和驅動器，繼而自動設定關節的旋轉角度，系統本身通過檢測壓力變化和人體姿態變化，解讀運動意圖，推動人體行走，達到相一致的動作，這就是機器人的工作原理。”

而在世界盃亮相的這一套外骨骼機器人系統，由加州伯克利分校研製。先進所助理研究員王玉成博士分析，巴西這套外骨骼的工作原理，和他們研究的有所不同。

美國防先進計劃署提出研製的“勇士織衣”系統，是一套面向未來的戰術外骨骼系統

近日熱映電影《明日邊緣》中的戰術外骨骼系統，可大幅增加士兵力量，並可讓士兵攜帶大量武器彈藥，提高作戰能力

它是通過一個頭盔，監測截癱患者的大腦神經信號，信號將傳輸給外骨骼機器人系統，系統根據患者的意念展開行動，從而實現站立、行走。“但是，這種信號傳遞方式，有諸多的不穩定性，因為腦電識別的動作也是有限的。”

“在美國，外骨骼機器人通過不斷調整功能，成為可以多功能地輔助人體機能的系統。”陳劍告訴記者，當時外骨骼的運用主要分為兩類，一類是軍用，以負重為主，另一類是商用，全身性地以增強人體功能。

事實上，在民用領域，外骨骼機器人也可以廣泛應用於登山、旅遊、消防、救災等需要揹負沉重的物資、裝備而車輛又無法使用的情況。

而陳劍團隊研製的，屬於助力負重型的機器人。陳劍比了個形象的概念：假如你要負重200斤的東西，穿上外骨骼機器人，這件事情就變得輕而易舉。“其中80%的重量都能通過機器人助力。”

EXOP-1計劃承受負重70公斤，其中助力功預計達到70%以上，目前已有多地消防公安部門有預訂意向。“我們設計的外骨骼是給正常人穿戴的，可以運用在消防救火上，幫助消防員負重滅火物資。”

目前，他們團隊的第二代認知外骨骼機器人也已經在研製中，相比第一代，從系統到助力功效，將有更大的提升。“高樓大廈着火，穿着外骨骼的‘鋼鐵蜘蛛人’去滅火，或者在災區，一拳打穿牆體救人，也不是沒有可能。”