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        可穿戴式機(jī)器人的研究進(jìn)展

        2018-10-21 15:40:22薛澤浩陳家霖黃柄常李詩慧
        新教育時(shí)代·學(xué)生版 2018年12期
        關(guān)鍵詞:軍事挑戰(zhàn)農(nóng)業(yè)

        薛澤浩 陳家霖 黃柄常 李詩慧

        摘 要:本文基于可穿戴式機(jī)器人的社會需求,對可穿戴式機(jī)器人的研究進(jìn)展、應(yīng)用領(lǐng)域以及面臨的挑戰(zhàn)和設(shè)計(jì)上需要解決的問題進(jìn)行簡要闡述,以供了解可穿戴式機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和未來方向。

        關(guān)鍵詞:可穿戴機(jī)器人 軍事 輔助康復(fù) 農(nóng)業(yè) 挑戰(zhàn)

        一、當(dāng)前,隨著社會的發(fā)展,全世界的人口老齡化問題趨勢日益嚴(yán)重。

        而老年人普遍存在體力不支,行走不便等狀況,給家庭和社會都帶來了壓力和負(fù)擔(dān)。因此,針對老年人和殘疾者的這種行走困難、吃力的狀況,研究開發(fā)一種穿戴舒適的,可以為老年人或殘疾人提供助力的外骨骼,使其能夠幫助老年人行走、適當(dāng)負(fù)重等,可在一定程度上緩解社會的壓力。

        另一方面,雖然傳統(tǒng)輪式交通工具是遠(yuǎn)行與負(fù)重的主要方式,但是它對路面環(huán)境等要求較高,很多領(lǐng)域仍然無法進(jìn)入。基于軍事、科考、消防等領(lǐng)域的需求,美國等一些國家的實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)研制出了穿戴式外骨骼機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)能為穿戴者提供充足的力量和耐力來增強(qiáng)的長距離行走和負(fù)重等能力,從而完成一些特殊任務(wù)。

        二、可穿戴式機(jī)器人的概述

        外骨骼原意是指節(jié)肢動物身體的堅(jiān)硬外殼,它為動物自身提供支撐、運(yùn)動、防護(hù)等功能。而可穿戴式機(jī)器人是一個(gè)基于人身體形狀和功能所設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化系統(tǒng),結(jié)合了人外形上的一些部位和關(guān)節(jié),可以被看作是一種補(bǔ)充、提高或者代替人類功能的技術(shù)。隨著技術(shù)研究的進(jìn)步,它將具有感知、預(yù)測、自主控制等功能。這款機(jī)器人的物理接口允許機(jī)械能的直接轉(zhuǎn)換和信息交換,它可以在一個(gè)智能環(huán)境中與人進(jìn)行親密的工作、互動以及合作,已經(jīng)應(yīng)用在遙操作、人肌增強(qiáng)和康復(fù)方面,從而救助運(yùn)動控制受損的人。

        可穿戴式機(jī)器人是從軍事領(lǐng)域需求中發(fā)展而來,旨在幫助人攜帶更多負(fù)載的機(jī)器人,以至于完成各種工作。美國五角大樓認(rèn)為,未來士兵應(yīng)當(dāng)全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動機(jī)器人化,并責(zé)成國防高級研究計(jì)劃局負(fù)責(zé),撥款5000萬美元從事這一領(lǐng)域內(nèi)可穿戴機(jī)器人項(xiàng)目的研究。即士兵佩戴可穿戴機(jī)器人后,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(qiáng),防護(hù)水平提高,同時(shí)可克服任何障礙,高速前進(jìn),不會產(chǎn)生疲勞感,以至于提高戰(zhàn)斗力。

        三、可穿戴式機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域

        (1)軍事領(lǐng)域

        很早就有科幻小說提及穿戴在人體外表、具備動力的特殊裝甲,借以提高人類的戰(zhàn)斗力,這樣的裝備即被稱作可穿戴機(jī)器人。而被大眾所熟知的“鎧甲勇士”便是可穿戴機(jī)器人的典型例子。可見可穿戴式機(jī)器人在軍事上的應(yīng)用不容小覷。

        2000年,美國國防高級研究規(guī)劃局發(fā)布的可穿戴機(jī)器人計(jì)劃的研制招標(biāo)書,包括以下4個(gè)方面:

        結(jié)構(gòu)材料──必須使用堅(jiān)固,輕型且有彈性的材料。這種材料必須能夠保護(hù)穿戴者,以大幅度減少傷亡。

        輕巧的能源──攜帶的能源必須能夠維持24小時(shí)的工作,且輕巧完全無聲。

        控制與動作──能夠同步跟隨使用者的動作,加強(qiáng)使用者的力量并模仿各種動作如跳躍跑動等。

        液壓元件──動作必須流暢、高效且完全無聲。

        可穿戴式外骨骼機(jī)器人助力的步兵只要有足夠的電源,長途行軍之后仍然能夠很快地挖掘更多、更深的工事。為了幫助士兵在陌生環(huán)境下準(zhǔn)確、快速抵達(dá)地點(diǎn)并了解周圍敵我情況,軍用外骨骼機(jī)器人將會安裝GPS、夜視裝備等。更先進(jìn)的型號甚至有可能按照指令或自行判斷,將負(fù)傷或失去知覺的士兵自行送到后方醫(yī)護(hù)地點(diǎn)。如果軍用可穿戴外骨骼機(jī)器人技術(shù)成熟,步兵的作戰(zhàn)效能將會大幅度提升,高速行軍的步兵將會再度在戰(zhàn)場發(fā)揮重大作用。

        (2)醫(yī)療領(lǐng)域

        脊髓損傷和中風(fēng)患者經(jīng)常需要步態(tài)康復(fù),以幫助他們保持行走或加強(qiáng)其肌肉的能力??纱┐鞯摹皺C(jī)器人輔助訓(xùn)練”作為一種有助于加強(qiáng)這種康復(fù)過程的技術(shù)正在迅速出現(xiàn)。

        日前,來自中國北京航空航天大學(xué)和丹麥奧爾堡大學(xué)的研究人員團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。他們設(shè)計(jì)了一個(gè)下肢機(jī)器人外骨骼,一個(gè)可穿戴的機(jī)器人,它具有自然的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動,可以顯著提高患者的舒適度,更愿意穿著它進(jìn)行步態(tài)康復(fù)。

        未來可穿戴機(jī)器人將利用健康管理系統(tǒng)來持續(xù)監(jiān)測人體健康,一方面,這些智能設(shè)備用于實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制;另一方面,它們依靠其他人員(管理員、醫(yī)生),通過高水平網(wǎng)絡(luò)平臺與外部環(huán)境保持聯(lián)系。

        (3)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

        東京農(nóng)業(yè)技術(shù)大學(xué)發(fā)明了一款可穿戴農(nóng)業(yè)機(jī)器人套裝,主要用在幫助一些年老的務(wù)農(nóng)人員。該套裝的關(guān)節(jié)運(yùn)動依靠裝在肩、腕、腰和膝關(guān)節(jié)處的超聲波馬達(dá)來驅(qū)動。這些馬達(dá)能夠幫助穿戴者向上舉起約20kg的重物。通過聲控命令,該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)從簡單到復(fù)雜不同層次的操作。該機(jī)器人未來將不斷小型化,由目前的26kg降低到約10kg。

        四、可穿戴機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn)及存在的設(shè)計(jì)問題

        (1)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)與人體的協(xié)調(diào)型

        外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)上要能替代使用者的手和足,提供足夠助力,且不與使用者發(fā)生干涉,有較好的協(xié)調(diào)性;擬人化外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),包括外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動副的優(yōu)化設(shè)計(jì),運(yùn)動自由度的分配和冗余自由度選擇等,并達(dá)到穿戴舒適、操作靈活等特點(diǎn);機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要考慮安全性問題,特別是應(yīng)用于助老助殘等福利項(xiàng)目時(shí),平衡性非常重要,為此要求機(jī)構(gòu)要能夠調(diào)節(jié)平衡。

        (2)環(huán)境的建模和穿戴者意向的交流

        網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用促進(jìn)了可穿戴機(jī)器人的發(fā)展,第一,機(jī)器人不同部位(驅(qū)動器、傳感器、控制器等)之間相互聯(lián)系的控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的模塊化和分布式結(jié)構(gòu),使用總線拓?fù)涞亩嗦酚芯€網(wǎng)絡(luò)等,讓可穿戴機(jī)器人系統(tǒng)安全響應(yīng)更快,如CAN和LIN技術(shù)。第二,利用無線技術(shù)(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線人體局域網(wǎng)、無線移動網(wǎng)絡(luò)等),由可穿戴機(jī)器人、環(huán)境和穿戴者之間建立網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制。

        (3)能量存儲系統(tǒng)對于可穿戴設(shè)備的便攜性來說至關(guān)重要

        由于需要相對高的效能和效率,電池、燃料單元和混合動力是目前可穿戴機(jī)器人最普遍使用的能量源,其他類型的驅(qū)動也有使用,比如超聲波馬達(dá)或者氣動人工肌肉。

        參考文獻(xiàn)

        [1]尹軍茂.穿戴式下肢外骨骼機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[D].北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

        [2]蔡兆云,肖湘江.外骨骼機(jī)器人技術(shù)研究綜述[J].國防科技,2007(12):6-8.

        [3]王偉.可穿戴機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2013.

        [4]書山.揭秘美軍方奇異的外骨骼機(jī)器人研制項(xiàng)目[OL].OFweek機(jī)器人網(wǎng),2014.08.01.

        [5]楊曉紅.機(jī)器人——機(jī)器人的最新發(fā)展[J].軍事家,2009.04.

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