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机械外骨骼研究方向分析

2021-01-22胡志广

今日自动化 2021年12期
关键词:助老研究方向人口老龄化

胡志广

[摘    要]文章对机械外骨骼的国内外发展现状及应用领域进行了分析,通过分析发现当前对该领域的研究主要集中工业生产、医疗康复和军工领域,而对助老方向的应用没有足够的重视。文章结合我国人口老龄化情况对助老方向进行了深度应用的挖掘,分析发现助老方向是非常值得重视的一个细分领域,文章还对机械外骨骼在助老方向的发展提出了未来的畅想。

[关键词]机械外骨骼;研究方向;人口老龄化;助老

[中图分类号]TP242 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487(2021)12–00–02

Analysis of the Research Direction of Mechanical Exoskeleton

Hu Zhi-guang

[Abstract]The article analyzes the domestic and foreign development status and application fields of mechanical exoskeleton. Through the analysis, it is found that the current research in this field mainly focuses on the fields of industrial production, medical rehabilitation and military industry, but does not pay enough attention to the application of helping the elderly. . The article combines the aging of our country's population to conduct in-depth application mining on the direction of helping the elderly. The analysis finds that the direction of helping the elderly is a subdivision area that is very worthy of attention. The article also proposes future visions for the development of mechanical exoskeleton in the direction of helping the elderly.

[Keywords]mechanical exoskeleton; research direction; population aging; helping the elderly

隨着科技的进步,我们的生活环境得到了极大的改善和提高。比如,过去的交通方式主要是人力步行或牲畜代行,逐渐有了自行车、蒸汽火车、蒸汽汽车等出行方式,再随着科技的发展产生了燃油汽车、磁悬浮汽车、飞机等,我们当下科技更有太阳能汽车、电动汽车等更加先进的科技产物。科技的进步给人类带来了极大的便利,但是以上的科技产物都是作用于身体之外的,给我们身体之外带来得了极大的方便,那么对于我们身体本身是否有这样的科技产物直接作用于我们的身体,如手臂上、手上、腿部、脚上等从而给我们的身体活动带来更多的方便。通过以上的思考,就有了以下的机械外骨骼的研究,通过外骨骼让身体各部分实现更多的可能。

1 机械外骨骼的研究现状分析

1.1 国外研究现状

加拿大瓦希科技公司研发了超轻型被动式加固型综合士兵外骨骼系统,从相扑运动员获得构造灵感,用钛支撑架采用机械杠杆原理将大部分负荷从肩膀转移到地面来减轻操作者的负重,同时在没有动力源的情况下模仿人类负重时的场景平衡重量。

日本松下的一家子公司研究发明了电动的外骨骼辅助装置,采用倒Y形背包式的整体结构,通过自动感应输入信号使得电动马达带动齿轮工作,从而拉动人体大腿及背部等位置减轻使用者腰部及背部的负担。这套装置在人行走过程中不工作,只有在使用者弯腰的情况下才进入工作状态,装置整体重量较轻,在5 kg左右;日本外骨骼公司SusTechno研发了一种整体质量只有2 kg左右的外骨骼,将装置的束带固定在肩膀、胸部及腿部借助空气压原理用于保护人体腰部。

新西兰一家公司研发了仿生机械腿外骨骼,可以让坐轮椅的患者站立、行走,该装置利用电源通过操纵杆控制电机从而带动腿部构件向前行走,但是整套装置较重,重达38 kg。

美国Sarcos公司研制了配置大功率发动机的多自由度举重物外骨骼机器人,它采用双摄像头和VR技术结合的同时采用了手势识别系统,这个装置还可以让操作者感受到来自外骨骼的力量;该公司还推出了其他的功能的外骨骼机器人,比如GuardianXOS系列、S系列等多款外骨骼产品。

还有许多国外的公司、科研工作者和学者们也在致力于机械外骨骼的研究,按照功能划分可分为康复训练类、辅助作业类和辅助行走类;按照作用于身体的部位可分为:上肢和下肢。其中康复训练类的研究主要有:美国(Woodway)、奥地利(SCHEPP)、瑞士(Hocoma)等。辅助行走外骨骼主要有:美国(EKSO)、日本(Cyberdyne)、新西兰(RexBionics)、以色列(Rewalk)等。

1.2 国内研究现状

我国机械外骨骼起步较晚,但随着国家的推动及越来越多的企业、科研工作者和学者对机械外骨骼领域的研究,对机械外骨骼的研究从不同程度上提出了新的想法及构思,极大地推动了我国机械外骨骼领域的研究进程。

台湾大学和浙江大学的师生研发了通过气动装置及绳传动等结构结合的机械外骨骼,可以很大程度减小装置的整体体积,但该外骨骼仅有单向匀速运动和停止两个状态。

傲鲨智能科技研发了工业领域的穿戴式刚性外骨骼,采用伺服电机驱动,在健康的人劳作时辅助人力的扩大,并对肩、肘、腕关节进行保护;我国大艾机器人公司、布法罗机器人公司及上银科技公司均研发了下肢康复训练外骨骼,辅助全部或部分丧失行走能力的患者恢复健康,如图1所示。

目前我国还研发出了可穿戴的刚性结构单兵机械外骨骼装置,采用多个传感器及微型液压系统的结合,为操作者的四肢提供额外的能量减小体力消耗,具有很好的防护性提高士兵生命安全,同时该装置收到了国内外的一致好评。当然我国还有许多其他的该领域研究者都在致力于推动我国机械外骨骼技术的发展。

2 机械外骨骼可研究方向的挖掘

机械外骨骼是通过辅助动力配合人力驱动的非刚性连接装置,是一种典型人机一体化助力装置,穿在人体外以辅助人类实现各种动作,它是一种智能的柔性辅助装置。目前国外对于机械外骨骼的研究相对比较超前,我国的研究起步较晚,从国际的视角来看,现在有许多公司、科研工作者及学者都在该领域努力的研究着并且有些研究成果已经开始量产。

随着对机械外骨骼的深度研究,当前机械外骨骼在辅助作业、辅助行走、医学康复和军工4个细分领域得到了越来越多的重视。在辅助功能的角度,可以通过外骨骼来提高自身的能力,如搬运重物、行走奔跑等方面减少人们的体力消耗,减少身体负重和身体疲劳损伤,从而提高效率。在医学康复的角度,对于受伤较严重的人群,比如上肢截瘫或下肢截瘫的患者,机械外骨骼可以帮助这部分人群像正常人一样执行对应上肢及下肢的动作,弥补行为障碍,使自己的运动、行走和劳动力等不受影响,甚至比在正常情况下的运动、行走和劳作更好,提高他们的生活质量,增强他们的信心。在军事的角度,士兵执行任务时需要长距离和时间的行走,并且需要携带物资等负重的装备,这样的负荷会致使士兵身体肌肉疲劳等不好的状态产生,甚至会严重影响行军速度、机动灵活性及持续作战等能力,而机械外骨骼可以帮助士兵减轻身体负担,促使士兵快速行动和移动,甚至抵挡枪弹的伤害。

因此,机械外骨骼的研究在辅助老年人的日常生活领域没有得到足够的重视,而我国当前社会人口老龄化严重,据国家统计局在2021年5月11日在国新办发布的第七次全国人口普查数据显示,全国60岁及以上的人口为26 402万人、占全国总人口18.7%,其中65岁及以上的人口为19 064万人、占13.5%,这是一个非常庞大的数字。老年人的体能逐渐下降,容易生病,特别是随着年龄的增长老年人活动量减少导致骨头内的血液循环变差,体内钙就会逐渐流失致使骨质疏松,以上只是老年人出现的常见问题之一,还有许多其他的问题困扰着老年人的日常生活。在这样的背景下,如果有一种机械外骨骼可以穿在老年人身上,让老年人在日常生活活动中可以像中年人一样生活,目前助老机械外骨骼依旧处于在初期阶段。

3 未来展望

机械外骨骼具有非常重要的实用价值,个人认为其未来的应用是大势所趋。当然,任何科技的产物都不是一蹴而就的,需要遵循客观发展规律,各个领域的机械外骨骼应用也是这样的,需要不断地设计研发应用再迭代升级。针对助老方向机械外骨骼的未来发展有如下展望。

3.1 轻量化+柔性化

动力驱动系统多数都是较重的,保证一定强度和韧性的外骨骼材料及运动副的连接材料也都是有一定重量的,这些重量累加起来极可能给老年人的身体造成一定的负重;同时外骨骼的材料要保证一定的刚度要求,这样才能达到支撑老年人身体各部位的要求,而这样的刚度材料极大的可能对外骨骼的整理灵活性带来影响。为了保证不给老年人带来格外的负重并且保证活动灵活方便,所以希望未来的研究能向轻量化和柔性化的方向发展。

3.2 小型化+方便化

目前研制及量产的机械外骨骼多数都是比较大的,如果老年人穿上类似这样的装置,将及其不美观也不方便存放,同时在日常的生活活动中也会带来格外的负担,想象一下穿上这样的裝置转身都需要一定的空间,所以希望未来的研究能向小型化和方便化的方向发展。

3.3 智能化+安全化

智能科技发展的今天,子女的外出繁忙工作不能时刻陪在老人身边,如果可以远程检测到老年人的健康状态将会是子女非常愿意看到的一个点;同时在动力驱动等方面的设计上,一定要安全可靠,不能有恶性人体伤害的情况发生。

3.4 价格亲民化

当下有许多的科技产物可以提高我们的幸福指数,但是多数的科技产物价格昂贵,所以本来优秀的科技产物得不到广泛推广,不能给更多的老百姓带来帮助。对于企业而言,产品获得市场不仅靠优秀的性能,同时还需要用户可以接受的价格,如果售卖价格在几万至十几万之间,甚至是更高,那么对于多数的老年人来说也只能望而却步了,更达不到为更多的老年人服务的目的,也不能给更多的老年人带来幸福。希望未来的助老机械外骨骼有一个亲民的价格,让所有有需要它的老年人都可以用上,给他们带来价值,给他们带来幸福。

4 结束语

无论从哪个角度分析,机械外骨骼都具有非常重要的实用价值,其未来的应用和发展将是大势所趋。机械外骨骼从某种程度来说是一种可穿戴式的机器人,它融合了人机交互、仿生学、电气控制、多位传感、材料学等多领域技术知识。随着各个领域的不断发展进步,相信在未来助老型机械外骨骼产品一定会来到老年人的身边,为老年人提供助力,为老年人提供幸福,也为老年人的家人提供安心、放心,更为国家人口老龄化而带来的多方面问题提供一份解决问题的力量。

参考文献

[1] 曹红升.穿戴式上肢外骨骼设计与研究[D].上海:上海交通大学,2017.

[2] 赵新刚,谈晓伟,张弼.柔性下肢外骨骼机器人研究进展及关键技术分析[J].机器人,2020,42(3):365-384.

[3] 欧阳小平,范伯骞,丁硕.助力型下肢外骨骼机器人现状及展望[J].科技导报,2015,33(23):92-99.

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