海同工业可穿戴外骨骼应用前景初探

2015-07-24 | 发布者:柴喜男 | 来自工程机械在线

  人类心智与人工机械的完美结合不再是梦
 

  Lockheed Martin 是一家美国航空航天制造商,近来,他们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”主要用来帮忙抗装备,它经过精密的计算和符合人体工程力学的设计,可以在保证灵活性的前提下,将操作者身上所背负的装备的重量转移到地面,操作者大大省力,也避免了肌肉拉伤等伤害。经测试,它至少可以消化 36 磅(约 16kg)的重量。这让我们不禁想起一部电影,《机械威龙》(又名《机械战警》),讲诉二十六世纪,机器人已经普及了。人们热衷于现场观看人操纵的大型机器人搏斗,而且要为此签订生死协定(如果比赛出现意外,责任由个人承担)。其中有一个男人他屡战屡胜,赢得了巨大荣誉。然而就在他踌躇满志的时候,在一次比赛中,他意外的输给了对手(对手使了阴招)。巨大的机器人轰然倒塌,压在身后的观众席上,许多人来不及逃跑被活活压死。

 

可穿戴外骨骼
 

  这部电影中,需要由人类的一举一动来控制机器人的动作,成功避免了人工智能可能造成的故障,又可使人类脆弱的身体得到有效的保护,看得不禁让人热血沸腾,什么时候,我们能真正成就“钢铁之躯”呢?

 

可穿戴外骨骼


  其实,以上描述,在现实世界,科学家和发明家已经有了一定的研究成果。


  (1)医疗应用
 

  大部分脊髓损伤早期患者会接受数月康复治疗,步态训练是下肢功能障碍康复训练的主要方式,帮助恢复肌肉力量和韧性,改善运动能力和关节协调性,维持身体正常机能。20-25%的中风患者无法独立行走,这部分患者也是机器人外骨骼可以提供康复治疗的潜在市场。

 

   可穿戴外骨骼   
 

  (2)工业应用


  当前,在许多对灵活性要求较高的场所,机器人还难以取代人类。因此,助力外骨骼技术的发展有望在提高工作效率和减少工伤等方面发挥重要作用,例如工程施工、紧急救助(疾病、事故、灾害、突发事件)、生产制造、搬运输送、危险工作(如核电站操作维护、航天空间站、深水作业)等领域。
 

  舰船的维护通常需要使用重型工具,如研磨机、铆钉器或喷砂器,这些工具由于重量及其长期使用的位置密集问题往往对工人产生负面影响。通过穿着外骨骼,工人可以更长时间地使用重型工具,且减少疲劳。


  在生产制造装配行业,搬运输送工作是最常见的,其中存在大量快节奏和高度重复的体力工作、费力的手工操作、局部或全身振动等职业特征,而这些特征多数是肌肉骨骼疾患的危险因素。为了从根本上解决工业生产中工人因肌肉骨骼疲劳而引起的职业病,研究开发一款可以广泛应用于工业生产中的外骨骼显得很有必要。

 

  无动力外骨骼研发进展和应用方向

 

  针对需要长期使用重型工具所带来的操作者肌肉骨骼疾患的问题,海同工业公司(Hyetone)正致力于开发一款工业用无动力外骨骼机构,在保证穿戴者动作灵活性的前提下,将穿戴者手上所持工具的重量传递到地面上,为穿戴者节省体力,减缓肌肉疲劳,防止肌肉骨骼疾病,最大可负载20kg的工具重量。

 

可穿戴外骨骼
 

  目前第一代样机已进入整改及性能综合评价阶段。由于外骨骼机构是一个人机结合的仿人装置,因此分别从“人”和“机”两个方面选取合适的评价指标,如减重效果、下肢可活动空间、最大负重能力、心率均值、平均血压均值等,通过分析这些指标的特性对外骨骼性能进行综合评价。
 

  后期将根据性能综合评价结果,对一代样机的性能进行优化升级,使工人的运动更具灵活性,同时人体活动亦不受外骨骼的阻碍,这就意味着可以更长久、更有效地减少工人在过度使用工具时的疲劳度。同时在工业化应用之前,解决安全可靠性和外观美化等问题。

 

   可穿戴外骨骼  

  动力外骨骼研发进展和应用方向

 

  为了进一步扩展海同工业可穿戴外骨骼的应用范围,在无动力外骨骼的技术基础上,一款动力外骨骼机构应运而生。该动力外骨骼的应用方向:帮助操作者负载作业工具(由于有动力单元作为支撑,动力外骨骼可以负载更重的工具);生产制造装配行业中的搬运输送工作;军事领域的单兵负重行走;医疗领域的下肢功能障碍辅助和康复;老年人助力行走。

 

可穿戴外骨骼


  动力外骨骼分为机械结构部分和控制部分。由于动力单元的加入,动力外骨骼机械结构有别于无动力外骨骼,需要在无动力外骨骼技术的基础上进行修改。基于海同工业前期对气动控制回路及软硬件的应用基础,以气缸为动力元件,以足底压力信号为输入信号,采用层次式控制的方法构建动力外骨骼的控制部分。目前两部分内容的研发工作均已接近尾声,即将进入组装整合阶段。

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