我国自主研发出外骨骼机器人 “人机一体”走起来 国内成果

admin 4月前 46

高约1米、重约38斤,从上至下有10多个关节、几十个传感器……穿上形似“钢铁侠”的腿部智能机械装置后,截瘫患者便能如正常人一样迈步行走——这不是科幻电影,而是电子科技大学临床测试外骨骼机器人的场景:这套集生物、机械、电子等科技为一体的装置,通过感知“主人”的运动意图,能主动协调配合其完成行走动作。


“我国是继美国、以色列和日本之后,第四个成功研发外骨骼机器人的国家。”电子科大机器人研究中心执行主任程洪表示,目前已有多家单位对该成果表明了投资意向。

传感器感知运动意图、计算机接收信息、控制模板传达行动命令

在去年9月举行的全国第九届残运会暨第六届特奥会开幕式上,26岁的圣火传递志愿者林寒一出场便引发雷鸣般的掌声——因脊髓损伤而不幸截瘫的他,穿着外骨骼机器人进行了圣火传递。“试用第二天就能自主行走了。”如今,林寒和外骨骼机器人已经实现“人机合一”,能够轻松完成站立、原地转弯、平视行走等动作。

“外骨骼机器人首先通过传感器感知人体运动意图,把信息迅速传递给计算机,并通过控制模块传达命令。”程洪介绍,外骨骼机器人采用了生机电一体化系统,由电驱关节、机械连杆、智能鞋、腰部支撑及绑缚附件等组成,通过这些部分的高速运转,辅助使用者自如行动。

与去年的外骨骼机器人相比,电子科大如今已开发出更为先进的版本。“现在的版本更加‘通人性’。”该校外骨骼机器人研发团队成员黄瑞介绍,截瘫患者在机器人的帮助下完成步态规划及生成是依靠智能控制系统的设计及算法进行的,而如今该团队已研发出更为先进有效的算法。

据程洪介绍,目前浙江大学、中国科学技术大学、中科院和华南理工大学等高校和机构都已成立外骨骼机器人研发团队并取得一定进展。

研发涉及多学科,仅用5年便研制成功,产品已进入临床测试

外骨骼机器人研发不是某一学科的“单兵作战”。“相关研发工作需要机械工程、生命科学、微电子等学科的高度配合。”研发团队成员林西川表示,外骨骼机器人所涉及的学科领域中的每一项都必须达到一定的学术高度,才能对整体研发工作形成支撑。

据林西川介绍,由于美、日等国起步早、学科资源丰富,外骨骼机器人研发成就不少:日本筑波大学研发的版本目前已经历5代产品更迭,日本有150家左右的医院已累计租借过330套外骨骼机器人;美国国防部高级研究计划局研发的外骨骼机器人专门针对单兵负重作战;以色列研发的外骨骼机器人已经在中国进行销售,用于截瘫患者下肢辅助行走。

电子科大的外骨骼机器人研发始于2010年。“从最初由机器人带动病患行动,到逐渐实现机器人感知病患行动意图主动协调配合行动,机械设计、电动设计、软件以及算法等均是从零开始完全自主研发。”程洪表示,研发之初,该团队的外骨骼机器人核心技术一片空白,没有任何参考。

“只能通过自己对外骨骼功能的理解,一步步搭建起完整的系统平台和核心算法。”林西川表示,和国外版本相比,电子科大的外骨骼机器人仅用了5年时间就实现了在病人身上的穿戴测试,这是国外外骨骼机器人研发周期的1/3甚至1/6。

“和国外相比,我们研发的版本有个最大优势,就是优异的物理人机交互算法。”程洪表示,这使得外骨骼机器人拥有了国际领先水平,而这正是我国多学科交叉运用的实力体现。目前,上海纪源资本、上海电气和成都技术转移集团等均对外骨骼机器人技术表明了投资意向,而该团队已经与四川省内多家医院联合开展临床测试和应用。

除了医疗领域的助行助力、康复训练,还能用于体育运动和军事项目

据麦肯锡咨询公司预测,到2025年,全球先进机器人在制造业、医疗和服务等产业领域的应用可创造1.7万亿美元到4.5万亿美元的产值。“未来3—5年里医用机器人的使用率会迅速上升到一个比较高的阶段。”电子科大自动化工程学院副教授杨路表示,我国的脊髓损伤患者以及行走不便患者数量较大,并呈逐年上升趋势,庞大的肢体行动障碍消费人群将会成为外骨骼机器人主要的未来市场。

不仅是下肢运动,外骨骼机器人还可以辅助中风、脑瘫患者进行康复训练,让他们在运动中刺激神经康复。“在国内康复市场上,相关研究还存在空缺。将来针对老人身体的个别病症,我们会对此进行一些‘模块化’的研发。比如只做服务于踝关节或者膝盖的‘外骨骼设备’。”林西川表示,对特定身体部位的辅助,将成为研发团队今后努力的方向之一。

目前,医用机器人已成为应用较为成熟的专业服务机器人。“全世界已有33个国家、800多家医院成功开展了60多万例机器人手术。”程洪坚信,只要实现产业化,外骨骼机器人将很快在手术台之外,帮助越来越多的患者过上正常的生活。

另外,它还可以在体育运动和军事项目中大显身手。“单兵作战中,穿戴上外骨骼机器人,单个士兵就可减轻最多90公斤重量。”程洪表示,这一功能是登山运动员、医疗救援工作者等职业的福音。

《 人民日报 》( 2016年11月15日 15 版)



新华社2月26日消息,电子科技大学机器人研究中心宣布,我国自主研发的外骨骼机器人有望近期产品化。在该研究中心看到,最新版本的外骨骼机器人除了腰部支撑和绑缚附件以外,在人体大腿和小腿位置的外侧,还有两块长方体形状的金属组件,这些组件由机械连杆连接。

 

该研究中心博士生黄瑞说,现在的版本比当时更先进,具体地说就是更“通人性”。黄瑞的学术论文《下肢助力外骨骼机器人层级交互学习算法》刚被2016年国际机器人领域的顶级会议ICRA接收。

 

据悉,电子科技大学机器人研究中心的外骨骼机器人研发始于2010年,目前正在自主基础研究成果和技术上进行外骨骼机器人的产业化,工程样机已经问世,预计将于年内实现产品化。

 

电子科技大学机器人研究中心主任程洪表示,从最初由机器人带动病患行动,到逐渐实现机器人感知病患行动意图主动协调配合行动,外骨骼机器人的机械设计、电动设计、软件以及算法等均是从零开始完全自主研发。

 

“我们希望能够帮助更多的残疾人患者,最终建立从机器人到康复医疗领域的多学科交叉,提升康复工程学术研究和产业应用水平。”程洪说。


自主研发:从1.0版到3.1版


在电子科技大学机器人研究中心,由程洪带领的研发团队,在“外骨骼机器人”研发上已历经了5年的艰苦探索。



从1.0版到3.1版的“外骨骼机器人”


林西川博士是“外骨骼机器人”研发团队的核心成员之一。他告诉记者,“外骨骼机器人”是典型的生机电一体化系统,主要包括电驱关节、机械连杆、智能鞋、腰部支撑及绑缚附件等组成,可实现助行、康复训练和助力功能。如今,大家在残运会开幕式上看到的红色“外骨骼机器人”是机器人研究中心研发出的3.1版本,而这之前经过了从1.0版到3.1版本的艰难研发过程。


“最初就确定了以帮助截瘫患者为研发目标,只不过具体应运于哪一类截瘫病患并没有确定。”林西川说,个人助行版“外骨骼机器人”研发项目2010年正式启动,经过4年的研发,2014年2.1版的外骨骼工程样机,就实现了基于嵌入式系统的完全独立的助力行走功能,并加入了智能肘杖辅助功能。“我们希望设备能够识别用户的意图,让机器人和人配合协调并确保安全使用。”


“整个‘外骨骼机器人’的核心技术,在我们准备开始这个项目的时候是一片空白,没有任何的参考,只能通过自己对外骨骼功能的理解,来一步一步地搭建起完整的系统平台和核心算法。”


谈及关于“外骨骼机器人”研发技术的专利问题,林西川说都是从零开始走到了今天。“外形看上去和国外的同类设备相似,但机械设计、电动设计、软件以及算法等都是我们自主研发的。”


“如今看到的3.1版本‘外骨骼机器人’已经是融合可穿戴设计、人机交互、移动计算、人工智能、生物信息及机器人技术的多学科领域高度交叉的智能机器人系统。”林西川说,未来“外骨骼机器人”将面向康复医疗工程,用于为偏瘫、下肢瘫痪等无法独立行走的病人提供康复辅助和行走助力。



国内主要研究机构外骨骼发展现状(图片由电子科技大学机器人研究中心提供)


研究中心的专家们告诉记者,虽然是服务于残疾人,但针对现在一部分腿脚不便的老年人,“外骨骼机器人”也有很强的实用性。“在国内康复市场上,这一块存在研究空缺。将来针对老人身体的个别病症,我们会对此进行一些‘模块化’的研发。比如只做服务于踝关节或者膝盖的‘外骨骼设备’。”


团队梦想:让截瘫患者重新站起来


在2014年“西博会”以及2015年“西洽会”上,“外骨骼机器人”通过展示走进了公众视野。“但最终被定为运用在残运会的火炬点燃方案中是机缘巧合,导演组当时也觉得‘外骨骼机器人’的研发意义,无论是从创意还是内涵上都与残运主题很契合。”林西川称,为了在残运会的火炬传递环节有效展示“外骨骼机器人”,研究员们对其进行了反复实验。



亮相残运会的3.1版“外骨骼机器人”


程洪告诉记者,从由机器人带动病患行动,到逐渐实现机器人感知病患行动意图主动协调配合行动,这是一个不小的进步。


而“外骨骼机器人”只有实现对人体运动意图的预测才能达到最好的助力效果,这就需要传感系统能够很好的对人体运动意图进行感知,并且能够与控制系统达到实时的效果。



亮相残运会的3.1版“外骨骼机器人”坐式


“和国外相比,电子科技大学的‘外骨骼机器人’最大的优势是优异的物理人机交互算法。我们仅用了5年时间就实现了在真正病人身上的穿戴测试,并开始进入临床阶段,这个周期是国外几大著名外骨骼机器人研发周期的三分之一甚至六分之一。” 林西川说,尽管如此,到今天他还没感觉已经“成功”了。



测试中的3.0版的“外骨骼机器人”(朱虹 摄)


“预期的完美状态是病人能够舒适的穿着‘外骨骼机器人’并安全的使用,且在日常生活中能够较长时间地穿着它。”林西川说,最初的设计理念是让机器人真正能够服务于残疾人,能够帮助他们的日常生活。“在这样的初衷下,最终选择了研发针对截瘫患者的个人版助力行走外骨骼机器人系统。我们整个团队的梦想,是让截瘫患者能重新站起来。”


国外外骨骼机器人产业发展现状


外骨骼机器人系统是一个可穿戴机器人,可以给穿戴者提供支撑和保护 ,并具有感知、运动预测和自主控制等功能,能大大增强穿戴者的运动和负载能力 。而纵观全球,目前最成功的外骨骼机器人产品当属Rewalk。


ReWalk发明者阿米特·高弗尔(Amit Goffer),该博士本身是四肢瘫痪者,他深知长期困在一张轮椅上是多么地痛苦。正因为此,高弗尔这名生物医学工程师在1998年开始了打造替代方案的征程。在ReWalk发明出来后,人们使用它走过了不少不可思议的旅程。2012年,下身瘫痪的Claire Lomas穿上ReWalk完成了伦敦马拉松比赛。2013年春天,前美国军士Theresa Hannigan在总统奥巴马访问耶路撒冷期间向他展示了ReWalk。去年秋季,劳雷亚诺和一群ReWalk用户环绕纽约的河滨公园完成了1英里的赛跑。


ReWalk是首个也是唯一一个获美国FDA批准用于个人用途的外骨骼,ReWalk也是美国第一款可以在市面买到的外骨骼——尽管价格高达6.95万美元——通过它,下身瘫痪者就可以随时随地行走。

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2016-2-27 14:40 上传



ReWalk挂在墙上充电


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