機械外骨骼研究方向分析

胡志廣

[摘? ? 要]文章對機械外骨骼的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域進行了分析，通過分析發(fā)現(xiàn)當前對該領(lǐng)域的研究主要集中工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療康復(fù)和軍工領(lǐng)域，而對助老方向的應(yīng)用沒有足夠的重視。文章結(jié)合我國人口老齡化情況對助老方向進行了深度應(yīng)用的挖掘，分析發(fā)現(xiàn)助老方向是非常值得重視的一個細分領(lǐng)域，文章還對機械外骨骼在助老方向的發(fā)展提出了未來的暢想。

[關(guān)鍵詞]機械外骨骼;研究方向;人口老齡化;助老

[中圖分類號]TP242 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–02

Analysis of the Research Direction of Mechanical Exoskeleton

Hu Zhi-guang

[Abstract]The article analyzes the domestic and foreign development status and application fields of mechanical exoskeleton. Through the analysis， it is found that the current research in this field mainly focuses on the fields of industrial production， medical rehabilitation and military industry， but does not pay enough attention to the application of helping the elderly. . The article combines the aging of our country's population to conduct in-depth application mining on the direction of helping the elderly. The analysis finds that the direction of helping the elderly is a subdivision area that is very worthy of attention. The article also proposes future visions for the development of mechanical exoskeleton in the direction of helping the elderly.

[Keywords]mechanical exoskeleton; research direction; population aging; helping the elderly

隨著科技的進步，我們的生活環(huán)境得到了極大的改善和提高。比如，過去的交通方式主要是人力步行或牲畜代行，逐漸有了自行車、蒸汽火車、蒸汽汽車等出行方式，再隨著科技的發(fā)展產(chǎn)生了燃油汽車、磁懸浮汽車、飛機等，我們當下科技更有太陽能汽車、電動汽車等更加先進的科技產(chǎn)物?？萍嫉倪M步給人類帶來了極大的便利，但是以上的科技產(chǎn)物都是作用于身體之外的，給我們身體之外帶來得了極大的方便，那么對于我們身體本身是否有這樣的科技產(chǎn)物直接作用于我們的身體，如手臂上、手上、腿部、腳上等從而給我們的身體活動帶來更多的方便。通過以上的思考，就有了以下的機械外骨骼的研究，通過外骨骼讓身體各部分實現(xiàn)更多的可能。

1 機械外骨骼的研究現(xiàn)狀分析

1.1 國外研究現(xiàn)狀

加拿大瓦?？萍脊狙邪l(fā)了超輕型被動式加固型綜合士兵外骨骼系統(tǒng)，從相撲運動員獲得構(gòu)造靈感，用鈦支撐架采用機械杠桿原理將大部分負荷從肩膀轉(zhuǎn)移到地面來減輕操作者的負重，同時在沒有動力源的情況下模仿人類負重時的場景平衡重量。

日本松下的一家子公司研究發(fā)明了電動的外骨骼輔助裝置，采用倒Y形背包式的整體結(jié)構(gòu)，通過自動感應(yīng)輸入信號使得電動馬達帶動齒輪工作，從而拉動人體大腿及背部等位置減輕使用者腰部及背部的負擔。這套裝置在人行走過程中不工作，只有在使用者彎腰的情況下才進入工作狀態(tài)，裝置整體重量較輕，在5 kg左右;日本外骨骼公司SusTechno研發(fā)了一種整體質(zhì)量只有2 kg左右的外骨骼，將裝置的束帶固定在肩膀、胸部及腿部借助空氣壓原理用于保護人體腰部。

新西蘭一家公司研發(fā)了仿生機械腿外骨骼，可以讓坐輪椅的患者站立、行走，該裝置利用電源通過操縱桿控制電機從而帶動腿部構(gòu)件向前行走，但是整套裝置較重，重達38 kg。

美國Sarcos公司研制了配置大功率發(fā)動機的多自由度舉重物外骨骼機器人，它采用雙攝像頭和VR技術(shù)結(jié)合的同時采用了手勢識別系統(tǒng)，這個裝置還可以讓操作者感受到來自外骨骼的力量;該公司還推出了其他的功能的外骨骼機器人，比如GuardianXOS系列、S系列等多款外骨骼產(chǎn)品。

還有許多國外的公司、科研工作者和學者們也在致力于機械外骨骼的研究，按照功能劃分可分為康復(fù)訓(xùn)練類、輔助作業(yè)類和輔助行走類;按照作用于身體的部位可分為：上肢和下肢。其中康復(fù)訓(xùn)練類的研究主要有：美國（Woodway）、奧地利（SCHEPP）、瑞士（Hocoma）等。輔助行走外骨骼主要有：美國（EKSO）、日本（Cyberdyne）、新西蘭（RexBionics）、以色列（Rewalk）等。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國機械外骨骼起步較晚，但隨著國家的推動及越來越多的企業(yè)、科研工作者和學者對機械外骨骼領(lǐng)域的研究，對機械外骨骼的研究從不同程度上提出了新的想法及構(gòu)思，極大地推動了我國機械外骨骼領(lǐng)域的研究進程。

臺灣大學和浙江大學的師生研發(fā)了通過氣動裝置及繩傳動等結(jié)構(gòu)結(jié)合的機械外骨骼，可以很大程度減小裝置的整體體積，但該外骨骼僅有單向勻速運動和停止兩個狀態(tài)。

傲鯊智能科技研發(fā)了工業(yè)領(lǐng)域的穿戴式剛性外骨骼，采用伺服電機驅(qū)動，在健康的人勞作時輔助人力的擴大，并對肩、肘、腕關(guān)節(jié)進行保護;我國大艾機器人公司、布法羅機器人公司及上銀科技公司均研發(fā)了下肢康復(fù)訓(xùn)練外骨骼，輔助全部或部分喪失行走能力的患者恢復(fù)健康，如圖1所示。

目前我國還研發(fā)出了可穿戴的剛性結(jié)構(gòu)單兵機械外骨骼裝置，采用多個傳感器及微型液壓系統(tǒng)的結(jié)合，為操作者的四肢提供額外的能量減小體力消耗，具有很好的防護性提高士兵生命安全，同時該裝置收到了國內(nèi)外的一致好評。當然我國還有許多其他的該領(lǐng)域研究者都在致力于推動我國機械外骨骼技術(shù)的發(fā)展。

2 機械外骨骼可研究方向的挖掘

機械外骨骼是通過輔助動力配合人力驅(qū)動的非剛性連接裝置，是一種典型人機一體化助力裝置，穿在人體外以輔助人類實現(xiàn)各種動作，它是一種智能的柔性輔助裝置。目前國外對于機械外骨骼的研究相對比較超前，我國的研究起步較晚，從國際的視角來看，現(xiàn)在有許多公司、科研工作者及學者都在該領(lǐng)域努力的研究著并且有些研究成果已經(jīng)開始量產(chǎn)。

隨著對機械外骨骼的深度研究，當前機械外骨骼在輔助作業(yè)、輔助行走、醫(yī)學康復(fù)和軍工4個細分領(lǐng)域得到了越來越多的重視。在輔助功能的角度，可以通過外骨骼來提高自身的能力，如搬運重物、行走奔跑等方面減少人們的體力消耗，減少身體負重和身體疲勞損傷，從而提高效率。在醫(yī)學康復(fù)的角度，對于受傷較嚴重的人群，比如上肢截癱或下肢截癱的患者，機械外骨骼可以幫助這部分人群像正常人一樣執(zhí)行對應(yīng)上肢及下肢的動作，彌補行為障礙，使自己的運動、行走和勞動力等不受影響，甚至比在正常情況下的運動、行走和勞作更好，提高他們的生活質(zhì)量，增強他們的信心。在軍事的角度，士兵執(zhí)行任務(wù)時需要長距離和時間的行走，并且需要攜帶物資等負重的裝備，這樣的負荷會致使士兵身體肌肉疲勞等不好的狀態(tài)產(chǎn)生，甚至會嚴重影響行軍速度、機動靈活性及持續(xù)作戰(zhàn)等能力，而機械外骨骼可以幫助士兵減輕身體負擔，促使士兵快速行動和移動，甚至抵擋槍彈的傷害。

因此，機械外骨骼的研究在輔助老年人的日常生活領(lǐng)域沒有得到足夠的重視，而我國當前社會人口老齡化嚴重，據(jù)國家統(tǒng)計局在2021年5月11日在國新辦發(fā)布的第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，全國60歲及以上的人口為26 402萬人、占全國總?cè)丝?8.7%，其中65歲及以上的人口為19 064萬人、占13.5%，這是一個非常龐大的數(shù)字。老年人的體能逐漸下降，容易生病，特別是隨著年齡的增長老年人活動量減少導(dǎo)致骨頭內(nèi)的血液循環(huán)變差，體內(nèi)鈣就會逐漸流失致使骨質(zhì)疏松，以上只是老年人出現(xiàn)的常見問題之一，還有許多其他的問題困擾著老年人的日常生活。在這樣的背景下，如果有一種機械外骨骼可以穿在老年人身上，讓老年人在日常生活活動中可以像中年人一樣生活，目前助老機械外骨骼依舊處于在初期階段。

3 未來展望

機械外骨骼具有非常重要的實用價值，個人認為其未來的應(yīng)用是大勢所趨。當然，任何科技的產(chǎn)物都不是一蹴而就的，需要遵循客觀發(fā)展規(guī)律，各個領(lǐng)域的機械外骨骼應(yīng)用也是這樣的，需要不斷地設(shè)計研發(fā)應(yīng)用再迭代升級。針對助老方向機械外骨骼的未來發(fā)展有如下展望。

3.1 輕量化+柔性化

動力驅(qū)動系統(tǒng)多數(shù)都是較重的，保證一定強度和韌性的外骨骼材料及運動副的連接材料也都是有一定重量的，這些重量累加起來極可能給老年人的身體造成一定的負重;同時外骨骼的材料要保證一定的剛度要求，這樣才能達到支撐老年人身體各部位的要求，而這樣的剛度材料極大的可能對外骨骼的整理靈活性帶來影響。為了保證不給老年人帶來格外的負重并且保證活動靈活方便，所以希望未來的研究能向輕量化和柔性化的方向發(fā)展。

3.2 小型化+方便化

目前研制及量產(chǎn)的機械外骨骼多數(shù)都是比較大的，如果老年人穿上類似這樣的裝置，將及其不美觀也不方便存放，同時在日常的生活活動中也會帶來格外的負擔，想象一下穿上這樣的裝置轉(zhuǎn)身都需要一定的空間，所以希望未來的研究能向小型化和方便化的方向發(fā)展。

3.3 智能化+安全化

智能科技發(fā)展的今天，子女的外出繁忙工作不能時刻陪在老人身邊，如果可以遠程檢測到老年人的健康狀態(tài)將會是子女非常愿意看到的一個點;同時在動力驅(qū)動等方面的設(shè)計上，一定要安全可靠，不能有惡性人體傷害的情況發(fā)生。

3.4 價格親民化

當下有許多的科技產(chǎn)物可以提高我們的幸福指數(shù)，但是多數(shù)的科技產(chǎn)物價格昂貴，所以本來優(yōu)秀的科技產(chǎn)物得不到廣泛推廣，不能給更多的老百姓帶來幫助。對于企業(yè)而言，產(chǎn)品獲得市場不僅靠優(yōu)秀的性能，同時還需要用戶可以接受的價格，如果售賣價格在幾萬至十幾萬之間，甚至是更高，那么對于多數(shù)的老年人來說也只能望而卻步了，更達不到為更多的老年人服務(wù)的目的，也不能給更多的老年人帶來幸福。希望未來的助老機械外骨骼有一個親民的價格，讓所有有需要它的老年人都可以用上，給他們帶來價值，給他們帶來幸福。

4 結(jié)束語

無論從哪個角度分析，機械外骨骼都具有非常重要的實用價值，其未來的應(yīng)用和發(fā)展將是大勢所趨。機械外骨骼從某種程度來說是一種可穿戴式的機器人，它融合了人機交互、仿生學、電氣控制、多位傳感、材料學等多領(lǐng)域技術(shù)知識。隨著各個領(lǐng)域的不斷發(fā)展進步，相信在未來助老型機械外骨骼產(chǎn)品一定會來到老年人的身邊，為老年人提供助力，為老年人提供幸福，也為老年人的家人提供安心、放心，更為國家人口老齡化而帶來的多方面問題提供一份解決問題的力量。

參考文獻

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