【科技资讯】中科院研制外骨骼机器人 能一拳打穿墙体救人

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　　陈剑演示他的“钢铁外衣”

　　中科院成功研制外骨骼机器人 能一拳打穿墙体救人

　　2014年巴西世界杯揭幕战上，一名下肢截瘫的巴西青年身穿一套“钢铁外衣”，开出了本届世界杯的第一球，从而成为全世界瞩目的焦点。

　　在中科院常州先进制造技术研究所，也有一款有着高科技含量的机械外骨骼已研制成功，目前进入调试阶段。

　　有腿有脚的“钢铁外衣”通过电机助力

　　今年3月，中科院常州先进制造技术研究所科研项目办公室主任、副研究员陈剑和他的小伙伴们瞄准外骨骼机器人系统，研制了名为EXOP-1（认知外骨骼机器人1号）的外骨骼机器人。6月18日上午，这群80后正忙着对机器人进行最后的调试。

　　被悬挂在该所研究室的这套机械外骨骼，有脚、有腿，与人的下半身十分相似，本体全部由航空铝打造，在人体的腰部和腿部对应的位置分别设有9处固定带，并装有22个传感器、6个驱动器和1个控制器，重约20公斤。

　　陈剑介绍，穿上这套“钢铁外衣”，就像在操作一台“机器战甲”，力量会有大幅度的提高。“每条腿都有3个电机，分别对应人体的髋关节、膝关节和踝关节，通过电机，实现给每个关节助力。”

　　在系统膝关节上侧，记者看到还设置了5个挡位，人们穿戴时可以根据身高自行调节，而鞋子也是特别定制的，每只脚的底部都装了4个传感器。

　　一套外骨骼系统造价在30万元以内，预计本月底试制完成样品。

　　截瘫患者可用意念实现站立、行走

　　穿上“钢铁外衣”，行动还能自如？

　　在工作人员的帮助下，陈剑先将脚固定在机器人的“脚”上，然后再将小腿、大腿和腰部与机器人固定在一起，打开开关后，准备行走。只见陈剑轻轻一抬腿，机器人很快就感知到了这个动作，以几乎相同的角度跨步。

　　陈剑介绍，通过一个头盔，可监测截瘫患者的大脑神经信号，信号将传输给外骨骼机器人系统，系统根据患者的意念展开行动，从而实现站立、行走。“但是，这种信号传递方式有诸多的不稳定性，毕竟机器人系统识别的动作是有限的。”

　　能协助背负100公斤的重物

　　外骨骼机器人的概念最早在上世纪60年代由美国通用公司提出，上世纪70年代，美国麻省理工大学也开始立项研究。2000年以后，加州伯克利分校研制的外骨骼机器人被美国军方看中，开始运用到军事领域。

　　“在美国，外骨骼机器人通过不断调整功能，成为可以多功能地辅助人体机能的系统。”陈剑告诉记者，当时外骨骼机器人的运用主要分为两类，一类是军用，以负重为主，另一类是商用，全身性地增强人体功能。

　　事实上，在民用领域，外骨骼机器人也可以广泛应用于登山、旅游、消防、救灾等需要背负沉重的物资、装备而车辆又无法使用的情况。而陈剑团队研制的，属于助力负重型的机器人。陈剑举了个形象的例子：假如你要背负100公斤重的东西，穿上“外骨骼机器人”，这件事情就变得轻而易举，“高楼大厦着火，穿着外骨骼的‘钢铁外衣’去灭火，或者在灾区，一拳打穿墙体救人，也不是没有可能。”

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　　外骨骼机器人

　　外骨骼机器人实际上是一种可穿戴机器人，它将人的智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起，可以给人提供额外的动力或能力。由于其安装位置和产生的作用跟生物界中的骨骼很相似，故将其称为人类外骨骼。

　　据了解，虽然人类外骨骼在最近十几年取得了很大的进展，然而现实中还有许多问题需要解决。

　　目前人类外骨骼主要通过采集肌电信号和力反馈的方法来获取穿戴者的运动意图，肌电信号采集的方法有很严格的外界环境限制，一旦信号采集的地方发生微小的变化（如流汗等），就会干扰信号的采集；而力反馈法具有本质上的滞后性，当穿戴者做出快速的运动或者高难度的动作时就会有阻碍感。

　　人类外骨骼主要通过捆绑的方式与穿戴者连接在一起，而这种方式具有很大的缺陷，如人体捆绑部位会因带子的束缚产生血液流通不畅等问题；捆绑处因肌肉的收缩、伸展而变形，会在很大程度上影响人类外骨骼的定位精度。

　　而且，人类外骨骼使用的便携式能源只能给系统提供2至9小时的续航时间，所以开发新的便携式能源将成为亟须解决的研究难题。

　　此外，由于人类的生理机构具有承受极限，每个关节有运动范围的限制，因此在人类外骨骼设计中，要防止对穿戴者造成伤害。

　　（来源：常州晚报，记者：钟欣）