外骨骼机器人的控制模型可以分为感知层、控制层和决策层。控制系统需要确保外骨骼能快速准确的响应人体的各种动作,还要考虑外骨骼与不同操作者之间的默契,即需要有一定的学习能力,以适应不同操作者的运动特点。

外骨骼机器人控制系统三层技术

    一、机械结构

    机械结构要全面的分析人体各关节的运动范围和运动特点,设计时,需要考虑:一、尽量遵循拟人原则,外骨骼各肢体关节等机械形状和尺寸参照人体。二、外骨骼各关节节,如膝,髋,踝关节,自由度要考虑到人体相应关节,确保其运动形式与人的运动形式相同,且各关节要有一定的运动范围,使其既不限制人体运动又确保动作安全。三、能在不同的环境使用,如:楼梯,草地等。

外骨骼机器人控制系统示意图

    二、驱动系统

    驱动系统方面,要满足体积小,质量轻,并且能够提供足够大的力矩或扭矩,同时要具有良好的散热性能。目前常用的设备驱动主要有:液压驱动,气压驱动和电机驱动。液压驱动是以液体为工作介质进行能量传递和控制的传动方式。优点:惯性小。结构简单,可靠性高,工作稳定;缺点:受压液体容易泄露,工作噪声较大,能源使用效率低,传动速度低;使用液压驱动的外骨骼机器人代表有美国伯克利分校研制的主力机械BLEEX 系列,雷神公司的XOS 系列。

    电机驱动是利用电力设备并调节电参数来传递动力和进行控制的传动方式。优点:技术成熟,结构简单,无污染,信号传递迅速且易于实现自动化;缺点:动态平衡特性差,质量大,惯性大,换向慢;使用电机驱动的外骨骼机器人代表有日本驻波大学的外骨骼机器人HAL 系列。气压驱动是以压缩空气为工作介质进行能量传递和控制的传动方式。优点:结构简单,无污染,阻力损失小,成本低;缺点:气动装置传动速度的稳定性较差,信号传递速度慢,控制性较差,不适用于大功率系统。使用气压驱动的外骨骼机器人代表有日本神奈川工科大学研制的全身型外骨骼机器人PAS。

    三、能源

    能源方面,目前外骨骼机器人主要以蓄电池供电,移动范围受到蓄电池的容量和效率的限制,如何提高蓄电池单位体积的容量和外骨骼的使用效率是关键问题。未来可以寻求新能源技术,包括太阳能,生物能,解决能源发展的技术瓶颈。

外骨骼机器人技术特点

    四、传感器

    传感器方面,主要有三种:sEMG 传感器、光电编码器以及力传感器。sEMG 是表面肌电信号,也就是神经肌肉系统在进行随意或非随意性活动时的生物电变化,经皮肤表面电极引导、放大、显示并记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号。特点是信号形态具有较大的随机性和不稳定性。优点是无创性、实时性以及多靶点测量。

外骨骼机器人相关传感器

    光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移转换为脉冲或者数字量的传感器。其结构由光栅盘和光电检测装置组成。一般分为增量式和绝对式两种。
力传感器是将力信号转变为电信号输出的电子元件。其结构由力敏元件、转换元件和电路组成。一般分类有弹性敏感元件、应变式力传感器、压阻式力传感器、压电式力传感器以及压磁式力传感器组成。

    中国产业信息网发布的《2015-2020年中国服务机器人市场监测与投资咨询报告》指出:外骨骼机器人应用可主要分为三个主要领域:军事、民用以及医疗。
一、军事领域应用——打造持久负重的“超级战士”

    外骨骼机器人在军事领域的应用主要用于突破人体力量、速度等方面的身体极限,解决长期以来限制步兵作战效能的便是弹药的携带能力以及全速行进的持久力问题。作战方面应用,可以大致总结四点:

    1)增强打击能力:士兵能携带更多的和火力更大的武器装备,是提高单兵打击能力的核心。

    2)提高防护能力:在外骨骼机器人上加装适合单兵的复合材料装甲,将单兵防护提高到一个新的水平。

    3)提高机动能力:普通人走路的时速为6—10 公里,但是士兵通常要携带很重的军需品,很难快速行进。而在外骨骼机器人的支持下,机动力,尤其是负重后的机动力将大大加强。

    4)提高战场感知能力:外骨骼机器人可以加装传感器系统,以加强士兵的战场态势感知能力;还可以加装卫星通信和定位装置,让每个士兵都成为一个网络通信节点,指挥部可以清楚知道每个士兵目前所在的位置。

    未来士兵佩戴外骨骼机器人后,将成为一名超级士兵,拥有无穷的力量,可携载更多的武器装备,火力威力增强,防护水平提高,同时可克服任何障碍,高速前进,不会产生疲劳感。同时在未来复杂的实际战场上,机械外骨骼可以装备先进的GPS 导航系统、夜视系统、复杂环境分析系统以及活体甄别功能,可以自动将受伤的战士及时地送回后勤救护区域进行救治。

    关于军事后勤方面,据研究估计,如果行军时速保持在20Km,能在夜间精确定位,负载1000Kg的外骨骼机器人,则只需投入一个排即可完成单次4000Kg 的物资运输,因此在战争爆发的紧急状况之下,这种即机械外骨骼机器人将会发生极大的作用以保证后勤补给,此外后勤工作如安装炮弹等需要体力的都可以得到广泛应用。

    从2000 年开始,美军开始从事“增强人体机能的外骨骼”(EHPA)项目的研究,计划研制一种机器骨骼,提高人的军事作战方面的能力。目前已有多款外骨骼机器人逐渐开始试验应用,最主要的就是提高负重能力。

    洛克希德马丁公司为美军打造的HULC 系统,最大负重量可以达到90.7 千克。穿上HULC 后能够明显降低人体对氧气的消耗量。据统计,在试验人员穿戴上HULC 并背负36.7 千克重的物资以每小时3.2 公里的速度行进时,其对氧气的消耗量量可比不穿HULC 时减少大约15%。而对氧气的消耗量增大,会比较容易导致疲劳。

    洛克希德马丁公司为美国特种部队之一的海豹突击队打造了Fortis Exoskeleton。这副不需要动力支撑的“钢筋铁骨”主要用于帮助工作人员举起沉重的装备,例如各种工具,或者枪械武器。

    美国雷神公司的XOS 2 外骨骼系统。是由美国国防部高等研究计划局(DARPA)提供了1000 万美元的军事研究预算,经过多年秘密研发出来的,代表了机械外骨骼领域最尖端的技术。Xos2 主要客户是经常进行繁重体力劳动的后勤部队,比如为军机加挂弹药(通常一枚格斗弹需要三人合力安装)。

    美军最新研制的机械手臂Maxfas 应用于提高射击精准率,其能自动使士兵射击手臂保持平衡。内嵌刀客辅助的加速度计和陀螺仪,可以感知到狙击手手臂的微小颤抖,然后把数据传送到芯片,根据这些数据,Maxfas 就会施加少量的力来抵消颤抖,并提高士兵的射击能力和战斗能力。

    由莫斯科国立大学研究的旨在减轻军人体力负荷的外骨骼机器人Exoskeletons 近期在俄罗斯国防部的评估中获得了好评。目前主要还是加强了腿部及腰部等负荷能力,双手的灵活性得到了保留并配置了防弹罩。这款外骨骼机器人在防爆反恐方面将会有不错的应用。

    二、工业领域应用——机器与人的真正融合

    外骨骼机器人在军事上可以增强士兵的能力,同理,在工业领域,也可以增强工人的工作能力。可以很容易联想到其在制造业,矿业,建筑业等等可以有很广阔的应用。工业应用面向工程施工、紧急救助(疾病、事故、灾害、突发事件)、生产制造、搬运运输、危险工作(如核电站操作维护、航天空间站、深水作业)等。

    据工作基金会联盟统计,欧盟有四千四百万工人患有因工作引发的肌肉骨骼疾病。美国劳工统计局(Bureau of Labor Statistics)数据显示:仅2013 年美国制造业就有476700 起非致死性职业伤害和疾病,虽然,与往年相比,制造业职业安全统计数据已经有所改善,但是,仍然非常严峻。而其中,重复性压迫性损伤每年都将引起不低于200 亿美元的损失,同时,这个损失还不包括熟练工人转岗而引起的高昂人力成本。近2013 年在建筑行业就有有203000 例非致死性职业伤害和疾病。外骨骼机器人将成为帮助工业工人更加有效的避免伤害、更加高效的适应高强度、高机械化生产作业的最佳帮手。

    外骨骼在工业领域已经进行了许多次测试。如2011 年普吉特海湾海军造船厂,工人身着全身外骨骼机器人(HULC+Zero-G)托举电动砂轮机进行船体打磨。这是一件极易造成工伤的工作,但是有了外骨骼机器人,将极大保证安全性。海军发布的测试结果显示:打磨时间仅为常规耗时的1/3、打磨质量改善、一名患有纤维肌痛的工人也能轻松完成任务。美国海军随后又在海军船坞进行了洛克马丁公司的Fortis 外骨骼机器人的试验和评估。 Fortis 在军事上本就是为了帮助士兵举起重物设计的,同样很适合需求力量的工作。像船坞工人这样的工作,便能很快提高其生产力。测试结果显示,工人使用重型工具工作的生产力提高了2 到27 倍。没有Fortis 时,一个工人平均可以举起一个16 磅的研磨机3 分钟。但是穿上Fortis 后,工人可以不需要休息地持续工作30 分钟。

    早在美国海军之前,世界三大造船商之一的大宇已经开始在工厂内测试使用外骨骼机器人。大宇的外骨骼机器人是有动力,但是仅有3 小时的使用时间。工人可以轻松抬着66 磅的东西用正常速度行走。此外,除了提起重物,还可以帮助工人更精确地移动物体。一份调查显示,2012 年时,在韩国,6 家造船厂中有5 家已经在一些地方使用机器人。

    在日本,外骨骼机器人HAL 被用于福岛核电站救助现场,外骨骼系统除了助力以外,还可以防辐射,大幅提高工作效率,最小化灾害影响。

    欧盟Robo-Mate 项目的研究人员开发出一种外骨骼,它能够使工人在抬举时只需负荷实物十分之一的重量。2015 年6 月12 日,该项目合作伙伴在斯图加特的Fraunhofer IAO 中展示了首个样品。

    三、医疗领域应用——康复助残领域正在加速产业化

    外骨骼机器人在医疗领域主要用作于康复治疗。外骨骼机器人可以用于辅助残疾人、老年人以及上肢、下肢无力患者、瘫痪病人等。有了外骨骼机器人,四肢瘫痪的病人都有可能重新站立起来自主行走。以往需要几个康复治疗专家的病人,只需要一个康复治疗专家就可以进行康复训练,这将大幅减少对康复治疗师的需求。康复训练也将变得更一致,回顾分析将变得更简单。

    全球主要的三家外骨骼康复机器人应用情况:

    截止2014 年底,有84 台Rewalk 外骨骼机器人在多家康复中心使用以及54 台在个人和社区使用。截止2014 年第一季度,Ekso 机器人外骨骼已进入全球60 家康复中心(50%北美、40%欧州12国、剩余10%南非、南美),共计出售或出租64 台Ekso,累计帮助3000+患者进行治疗。截止2014 年,HAL 外骨骼机器人已进入163 家康复中心(由于日本的康复中心数量远超美国)。累计帮助患者超过前两家公司。