机械外骨骼.docx

机械外骨骼.docx

《机械外骨骼.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械外骨骼.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

机械外骨骼

外骨骼

张治富0911590126

（南京理工大学理学院江苏南京210094）

摘要：

外骨骼的本来含意是指动物的外部骨骼，用于支撑或保护内骨骼。

经过不懈研究，科学家已研制出很多性能卓越的外骨骼，帮助有需要的人更有效地打理他们的日常生活和工作。

本文包括了对外骨骼研制背景，相关技术，典型产品，发展方向等方面的介绍。

关键词：

外骨骼，关键技术，典型产品，

1.概念

外骨骼的本来含意是指动物的外部骨骼，用于支撑或保护内骨骼。

经过不懈研究，科学家已研制出很多性能卓越的外骨骼，帮助有需要的人更有效地打理他们的日常生活和工作，并将在军事上有很大的发展前途。

2.研制背景

外骨骼系统的最早研究始于20世纪60年代。

1962年，美国空军就要求康奈尔航空实验室进行一项采用主从控制方式的人力放大器系统的可行性研究。

从1960年到1971年，美国通用电器公司开始研发一种基于主从控制的外骨骼原型机，名字叫做“Hardiman”，如图1所示。

图1Hardiman外骨骼系

Hardiman采用电机驱动方式，可以像举起10磅那样来举起250磅的重物。

但是，由于技术的限制，Hardiman只实现了一只手臂的控制，慢慢停止了发展。

同时期进行外骨骼研究的还有贝尔格莱德大学的Vukobratovic等人，他们的研究主要用于辅助下肢瘫痪患者进行运动康复。

尽管只实现了部分运动形式，但是研究过程中得到的平衡算法在双足步行机器人中得到了广泛应用。

到了上世纪90年代，由于传感技术、材料技术和控制技术的发展，对外骨骼技术的研究大规模展开。

早期的外骨骼仅仅作为一个人机界面来使用，如机遥操作系统中的主机械手。

90代中期，力反馈技术和触觉反馈技术开始广泛应用与外骨骼系统。

采用力反馈技术后，遥操作的真实感得到增强，控制的效果比以前得到很大的提高，外骨骼在很多领域得到了应用。

进入21世纪后，由于能源技术、微驱动技术、材料科学、信息技术的发展，各种类型的外骨骼雨后春笋般浮现，外骨骼也逐步向实用化方向发展，比如日本筑波大学Cybernics实验室研制出的世界上第一种商业外骨骼机器人HybridAssistiveLeg（HAL）。

美国的“国防远景研究计划署”（DARPA）在加利福尼亚大学伯克利分校研制成功了一种可以绑缚在士兵腿上的“伯克利末端外骨骼”（BLEEX）。

其他还有多种用于辅助进行康复运动的外骨骼和上肢外骨骼出现。

外骨骼种类多样，控制方法也各有不同。

从结构上来说，可以分为下肢外骨骼和上肢外骨骼。

从功能上来说，可以分为两种：

一种是辅助老年人、残疾人、运动功能部分丧失的病人行走和康复的外骨骼；另一种就是用于增强正常人人体机能的外骨骼。

而用于增强正常人机能的下肢外骨骼在外骨骼的发展中占有重要地位。

3.关键技术

外骨骼的发展与相关技术的突破密不可分。

由于传感技术、材料技术和控制技术的发展，对外骨骼技术的研究大规模展开。

90年代中期，力反馈技术和触觉反馈技术开始广泛应用与外骨骼系统。

采用力反馈技术后，遥控操作的真实感得到增强，控制的效果比以前得到很大的提高，外骨骼在很多领域得到了应用。

进入21世纪后，由于能源技术、微驱动技术、材料科学、信息技术的发展，各种类型的外骨骼雨后春笋般浮现，外骨骼也逐步向实用化方向发展。

4.典型产品

1.赛百达因Hal-5

赛百达因Hal-5

　　日本科技公司“赛百达因”（Cyberdyne）研制的HAL-5是一款半机器人，拥有自我拓展和改进功能。

它装有主动控制系统，肌肉通过运动神经元获取来自大脑的神经信号，进而移动肌与骨骼系统。

HAL（混合辅助肢体的英文缩写）可以探测到皮肤表面非常微弱的信号。

动力装置根据接收的信号控制肌肉运动。

　　HAL-5是一款可以穿在身上的机器人，高1600毫米，重23公斤，利用充电电池（交流电100V）驱动，工作时间可达到近2小时40分钟。

HAL-5可以帮助佩戴者完成站立、步行、攀爬、抓握、举重物等动作，日常生活中的一切活动几乎都可以借助HAL-5完成。

HAL-5装有混合控制系统，无论是室内还是户外均有不错表现。

　　2.救援机器人T52Enryu

救援机器人T52Enryu

　　T52Enryu是机器人家族的一个大块头，重量近5吨，身高达到3米。

它非常强劲，可以帮助救援人员清理路面上的碎片。

T52Enryu可以在任何灾害的救援工作中派上用场，例如地震。

它靠液压驱动，也被称之为“超级救援机器人”，能够举起重量近1吨的重物，机械臂则可以完成所有类型的动作。

T52Enryu由日本公司Tmsuk于1994年3月设计，而后在长冈技术科学大学接受测试。

测试中，它成功从雪堆上举起一辆汽车。

　　3.松下充气式外骨骼

松下充气式外骨骼

　　松下充气式外骨骼在设计上用于帮助瘫痪患者。

它的肘部和腕部装有传感器，允许手臂控制8块人造肌肉。

人造肌肉内装有压缩空气，用于挤压瘫痪部位。

　　4.伯克利·布里克外骨骼

伯克利·布里克外骨骼

　　伯克利·布里克外骨骼由美国国防高级研究计划局（DARPA）设计，致力于帮助士兵、营救人员、野火消防员以及其他所有应急人员的Bleex计划为设计提供资金支持。

设计伯克利·布里克外骨骼的目的就是帮助这些人员轻松携带各种装备。

　　5.机甲外骨骼

机甲外骨骼

　　机甲外骨骼是科幻小说中经常出现的机甲的一种复制品，高度达到18英尺（约合5.48米），由美国阿拉斯加州的工程师卡洛斯·欧文斯发明。

机甲外骨骼实际上是一种步行机，由里面的驾驶员操控。

它的外形与人类似，正如科幻小说中所描述的那样，它也拥有一身好拳脚和剑术。

　　6.Stelarc外骨骼

Stelarc外骨骼

　　Stelarc外骨骼是一款肌肉机器人，外形与蜘蛛人类似，长有6条腿，直径达到5米。

它是一种混合人机，充气和放气之后便可膨胀和收缩，与其他外骨骼相比具有更高的灵活性。

使用时，操作人员需站在中间，控制机器朝着面部方向移动。

Stelarc外骨骼由流体肌肉传动装置驱动，装有大量传感器。

　　7.脑控外骨骼系统

　　这种外骨骼能够实现骨骼、肌肉与神经系统之间的交互作用。

所有骨骼和肌肉都由大脑直接控制。

脑控外骨骼系统由美国密歇根州大学的神经力学试验室设计。

　　8.Springwalker外骨骼

Springwalker外骨骼

　　Springwalker外骨骼能够像所有动物一样奔跑跳跃。

借助于这种外骨骼，佩戴者的奔跑速度最快可达到每小时35英里（约合56公里），跳跃高度可达到5英尺（约合1.52米）。

　　9.被谋杀教授步行辅助设备

　　这款步行辅助设备用于帮助少肌症患者恢复身体机能。

少肌症可导致患者骨骼肌流失。

之所以起“被谋杀教授”这个名字是因为这款步行辅助设备由美国弗吉尼亚理工大学被人枪杀的凯文·格拉纳塔教授研制。

格拉纳塔早已经离开人世，但他研制的步行辅助外骨骼却仍在帮助着很多患者。

　　10.引力平衡腿部矫形器

引力平衡腿部矫形器

　　引力平衡腿部矫形器在设计上用于帮助佩戴者在不受引力影响下走路。

由于消除了引力影响，这也就意味着轻偏瘫患者在这种矫形器帮助下可以很容易行走。

借助于这种设备，轻偏瘫患者可以重获力量和控制能力。

这种矫形器由美国特拉华州大学研制，可以进行调节，能够在腿部移动和引力之间实现一种平衡。

5.发展方向

外骨骼机器人是一个复杂的人机耦合的一体化系统。

有着广泛的应用范围：

登山、搬运、旅游、救灾、士兵负重行军、助残等等。

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，跟上国际发展步伐。

6.结束语

《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！

参考文献：

【1】世界十大机器外骨骼：

救援机器人T52上榜  

【2】李晓明.基于外骨骼技术的机器人远程控制[D].杭州:

浙江大学,2004.

【3】ADAMBZOSS,KAZEROONIH,ANDREWCHU.Biomechanicaldesignoftheberkeleylowerextremityexoskeleton（BLEEX）[J].IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,2006,11

（2）:

128-138.

【4】杨建群,刘秉正,彭建华,等.表面肌电的非线性动力学初步分析[J].航天医学与医学工程,1999,12（3）:

185-187.

【5】XX百科外骨骼