机械外骨骼从科幻走到现实

2014-3-6 17:27| 发布者: chenl| 查看: 4743| 评论: 0|来自: 网络

摘要: 说起「机械外骨骼」这个词,许多朋友会听得云里雾里,但若是说到《星际争霸》里的步兵战斗装甲或是漫画《机动战士高达》的机动装甲,大家就会恍然大悟,原来就是那些能将我们凡人瞬间变成超人的神奇装甲,不过随着科技的不断发展,各种神奇的机械外骨骼已经从游戏、漫画中走出来进入了现实的世界。其实「机械外骨骼」最初的概念类似于昆虫的外骨骼,能够穿在人的身上给人提供某种相应的帮助,比如保护人们不受到伤害、通过额外的动力或能力来增强人体自身的机能等等。它需要套轻盈的动力系统,能够连续几天提供充足的电源能量。它还需要小巧强大的人工肌肉以及一套复杂的动作控制系统可以行动灵敏、反应迅速。「机械外骨骼」就好像人们的机械影子,能够读懂人们的一举一动,及时地模仿他的每个动作。其中电影《钢铁侠》Iron Man中的钢铁衣就是机械外肾骼的典型范例。而在电影《异形》、《黑客帝国》中也出现过各式各样的机械外骨骼。

说起「机械外骨骼」这个词,许多朋友会听得云里雾里,但若是说到《星际争霸》里的步兵战斗装甲或是漫画《机动战士高达》的机动装甲,大家就会恍然大悟,原来就是那些能将我们凡人瞬间变成超人的神奇装甲,不过随着科技的不断发展,各种神奇的机械外骨骼已经从游戏、漫画中走出来进入了现实的世界。

机械外骨骼的发展

其实「机械外骨骼」最初的概念类似于昆虫的外骨骼,能够穿在人的身上给人提供某种相应的帮助,比如保护人们不受到伤害、通过额外的动力或能力来增强人体自身的机能等等。它需要套轻盈的动力系统,能够连续几天提供充足的电源能量。它还需要小巧强大的人工肌肉以及一套复杂的动作控制系统可以行动灵敏、反应迅速。「机械外骨骼」就好像人们的机械影子,能够读懂人们的一举一动,及时地模仿他的每个动作。其中电影《钢铁侠》Iron Man中的钢铁衣就是机械外肾骼的典型范例。而在电影《异形》、《黑客帝国》中也出现过各式各样的机械外骨骼。

「机械外骨骼」的灵感其实正是来源于当年美国知名的漫画《钢铁侠》。漫画的主人公建造了一件金属铠甲,穿上它的人就成为个所向披靡的「铁人」。在漫画里面「铁人」的速度超过了喷气飞机,可以轻而易举举起1000吨的重物,还可以闯入重重设防的电脑。虽然当时的美国军方也注意到这一点,但是当时还不存在实现这个构想的技术条件。直到2000年五角大楼国防高级研究计划署才开始为期7年,投资数千万美元的机械外骨骼研究计划,这个研究项目被命名为「EHPA」。其实早在1995年美国陆军上校杰克·奥布瑟克就参与了外骨骼研究。他认为随着感应器日益变小以及功能更全面、处理器速度加快,他和其他支持者有理由相信机械外骨骼有可能成为现实。

机械外骨骼的研究方向

机械骨骼技术具有很宽广的应用前景,但是到目前为止该项技术尚处在研发阶段,成果只是取得初步进展,尚未形成可以切实应用的大规模产业。并且从研究的领域来讲,范围并不宽泛。美国研究的主要方向是军事,日本则倾向于医疗。因此国内外关于机械外骨骼的研究又衍生出许多研究方向,下面就对各个新的研究方向做如下的归纳。

1、人造肌肉纤维研究

利用电压变化使人造纤维收缩或伸张来产生力量从而达到取代目前通用的液压驱动系统解决液体渗漏和人机间的磨合期问题的目的。而早在19998月,德国、美国、澳大利亚和意大利同行合作研制出人造肌肉纤维, 以近年来倍受注目的纳米碳管为成份, 伸缩性和灵敏度超过了迄今任何人造材料。这种人造肌肉纤维不仅能适用于人类的移植和修复手术, 还可以作为机器人的运动构件, 或者作为高灵敏度传感器的材料[9]。而2008年,美国加州大学洛杉矶分校的研究人员制造出了一种人造肌肉,它能够自我愈合还能够储存电能给类似于iPod 之类的移动设备充电。这样就使机械外骨骼朝着人机完美结合的方向发展成为可能[10]。我们完全有理由相信,在不久的将来,人造肌肉将会出现在新一代的机械外骨骼机器人的手臂上,实现通过人类意识控制人造肌肉的收缩和舒张来达到人体与机器人之间的协调。 

2、控制系统研究

关于控制系统的研究,目前有两个大的方向,机械外骨骼系统内控制及基于网络技术的远程控制系统。有学者通过研究来对比不同国家和地区的实现机械外骨骼系统内控制功能的八种方法:操作者控制、肌电控制、预编程控制、主从控制、直接力反馈控制、地面反作用力控制、ZMP 控制、灵敏度放大控制的优缺点。并且指出,外骨骼机器人是一个复杂的人机耦合的一体化系统。外骨骼技术在国际上发展迅速,而在我国还处于起步阶段,亟需开展先期的基础研究工作,解决一批关键技术,以迅速开发出成熟的产品,跟上国际发展的步伐。这些控制方法各有优缺点,在实际工作中要综合考虑,可以采用复合控制的方法,综合各种控制方法的优点,开发我国自己的外骨骼产品。而关于基于网络技术的远程控制系统,传统要操作仅仅停留在简单的动作示教层面,或者只能对机器人关节或者末端执行器进行单个或者少数几个自由度的孤立控制。针对这个缺点,有学者研究指出,可以采用基于非时间参量的控制和协调方法,从根本上解决由网络技术所带来的不稳定时延,从而实现对机械外骨骼的远程控制。

3、机械结构设计研究

由于机械外骨骼的受力部分主要是在下肢,因此为了达到减轻负重者负载从而节省体能的目的,就要求所设计的下肢必须能够承受足够强度的压力。因此对于机械外骨骼下肢机械结构的分析与设计也成为一大热点和难点。下肢外骨骼是一种新型的具有可穿戴性能的机械装置,从人机一体化智能系统理论的观点出发,它是一种人主机辅的人机一体化系统。国内有学者研究了这一方向的问题并且指出,外骨骼结构能够穿着在人的身上,除满足行走需要的基本条件外,还必须考虑到以下三个方面的要求:

①安全性:外骨骼与人体协调共处,二者不能发生冲突

②兼容性:外骨骼的肢体几何尺寸能够调节,以适应不同的穿着者。

③舒适性:增加人机接触缓冲装置,提高舒适性。

除此之外,也有多种用于辅助进行康复运动的外骨骼和上肢外骨骼,对其相应机械结构的设计也已取得较大的进展。比如,为了实现远程控制功能而提出的上肢外骨骼的结构设计之一便是采用“并联三自由度”+“四连杆机构”+“并联三自由度机构”来实现外骨骼“肩”、“肘”、“腕”关节的联动。

4、理论分析

目前的理论研究主要是基于adams仿真软件solidworksPro/E等三维造型软件。通过分别建立适用于身体各个部位的各种数学模型而进行的运动学、动力学分析。为了保证理论分析的准确性,往往需要建立上肢、下肢等外骨骼结构的模型,并通过MATLAB 软件中的simulinkSimMechanics的控制运用ADAMS仿真软件对这些模型的仿真模拟,设置各项参数执行仿真,从而获得保持外骨骼系统稳定的运动、动力数据。

首件机械外骨骼XOS的工作原理

第一件真正意义上的机械衣XOS建造于2002年,不过当时它没有任何的动力。开发小组建造它的目的,是证明外骨骼能像人体样白如行动。当一名工程师穿上机械衣以后,尝试做了各种复杂的动作,比如踢球、跑步、爬进汽车驾驶室。通过这一系列实验后,又在恰当的地方采用了一些关节。2003年研究小组开始用水压驱动传动器做人工肌肉。另一位外骨骼研究者认为,XOS对水压装置的依赖最终将导致它的失败。因为水压装置太耗电。他认为电传动器比较好,因为它们消耗能量与行动相符。虽然XOS在举重项目上令人刮目相看,但并没有达到五角大楼国防高级研究计划署的全部目标。不过由于它最接近五角大楼的构想,因此还是脱颖而出,成为美军批准进入下一阶段研究的全身外骨骼。XOS最有力的竞争者是一台医疗设备,但位于太平洋彼岸的日本。2004年日本机器人专家山海嘉之创建了一个叫Cyberdyne的公司,推销他的全身机械外骨骼HAL-5。它没有采用XOS式的压力感应器,而是把感应器附着到穿着者身上,从而接收人体肌肉发出的信号内容,以确定人们下一步的行动意图。这套机械外衣的控制系统能够学习、模仿穿着者的自然姿态。这意味着至少需要30分钟时间,两者才能做到基本上协调一致,而不能指望一穿上就行动自如。但是HAL-5的主要用途是充当康复治疗辅助工具和护士的助手,所以半个小时的培训时间不构成问题。穿上这套电池驱动的大力服后,护士们能轻松抱起粗壮的病人,仿佛抱小孩一样轻松。

外骨骼的军事应用

2010年第二代外骨骼机械装「XOS2」研发出来,虽然此设计重达90公斤,但军人穿上它后,不但可轻易搬起百斤重物,还能活动自如。相较于先前发布的「XOS1」外骨骼机械装,「XOS2」版本的机械装更轻巧也更强壮,不但能轻易地举起约100公斤的重物,还可重复击穿3吋约7.62公分厚的木板。这相当于综合了两三人的工作量,不但可减轻士兵的疲劳程度,还能让战略执行效率加倍。「XOS2」由一系列传感器、传动装置以及控制器所构成,并由高压液压驱动,且耗电量也比上一代降低50%。另外根据俄罗斯《陆军指南》2011630日报道,美国的洛克希德·马丁公司Lockheed Marti研制的加固型「HULC人体负重外骨骼」,目前正在美国陆军纳蒂克士兵研究、发展和工程中心进行生物力学测试,本次测试作业基于士兵反馈意见的外骨骼发展规划。「人体负重外骨骼」由洛克希德·马丁公司研制,它是一种模仿人体结构特点设计的外骨骼装置,采用电池供电和液压驱动,利用单一电池充电器便能够使穿戴者背负约91公斤200磅,重物在全地形条件下步行20公里。穿戴「人体负重外骨骼」后,士兵能够完成爬行、深蹲、行走和上半身提举重物等一系列动作。人体负重外骨骼配有先进的微型电脑,以便与士兵的动作保持一致。人体负重外骨骼是一种创新方案,既可提高士兵的持久作战能力,又可降低士兵受伤的风险。

外骨骼的民间应用

2010年,新西兰一家公司发明了全球首对「仿生机械腿」。安装在下身瘫痪者的腿上,能支撑身体,帮助他们重新站起来。借助它使用者可以轻松地站立、行走甚至上下楼梯和斜坡。这种仿生机械腿名为「Rex」,由Rex Bionics公司发明。发明者利特尔和欧文观看电影《异形》时,看到女主角里普利穿上机器外骨骼,从中得到启发。这种装置重量为38公斤,由一个轻便充电池提供动力,充电一次可供一天使用。另外,加利福尼亚的柏克萊仿生研究所发布了名为「eLEGS」的机械外骨骼。和REX类似,这款机械外骨骼主要是为了帮助残疾人士摆脱轮椅的束缚,使他们可以在站立的姿势下行走。eLEGS穿在衣服外边,只要是能独立使用轮椅的人,都可以独立穿上或脱下eLEGS。站立起来后内置电脑将通过传感器,观察使用者的姿势。随后它会根据这些姿势确定使用者的意图,并提供实时辅助。外骨骼除了帮助截瘫人士行走外,还可以帮助暂时无法站立的人锻炼他们的肌肉和神经系统。

2011年的7月,日本筑波大学公布一款名为「混合辅助机械套装」的机械外骨骼。该套装通过垫片与身体的特殊部位相连接,能够探测到微弱的生物电信号,垫片与肢体运动相一致。当使用者穿着该套装试图移动时,从大脑释放的神经信号将通过运动神经元传输至肌肉组织,最终将产生肌骨系统的移动。已有两个孩子的残疾人内田清治正是使用这种最新研制的神经控制外骨骼结构,使自己的力量增强了十倍,成功地登上了法国圣米歇尔山。穿上混合辅助机械套装的残疾人已同平常人无异,《钢铁侠》中男主角穿的那种钢铁外衣已经是落后的产品了,现在的机械外骨骼在结构上完全就是简单的几个骨架,而非影片中那种落后的“钢铁骨骼外衣”。当然,这种技术也可以用于医疗领域,方便残疾人的日常生活,也可以用于野外工作者和野外运动爱好者,甚至可以供物流配送人员使用试想一下,一位家电送货员依靠“机械外骨骼”轻松地从车上卸下一台冰箱并将其搬到客户家中摆放到位,那是多有趣的一件事啊!人类的创造性使科技进步,而科技又使人类社会进步。

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