有腿有脚的“钢铁外衣”，通过电机助力

今年3月，中科院常州先进所科研项目办公室主任、副研究员陈剑和他的小伙伴们瞄准外骨骼机器人系统，研制了名为EXOP-1（认知外骨骼机器人1号）的外骨骼机器人。昨天上午在先进所见到他们，这群“80后”年轻人正忙着对机器人最后的调试。

被悬挂在先进所研究室的这套外骨骼，它有脚、有腿，与人的下半身十分相似，本体全部由航空铝打造，在人体的腰部和腿部分别设有9处固定带，并装有22个传感器， 6个驱动器和1个控制器，重约20公斤。

陈剑介绍，穿上这一层“钢铁外衣”，就像操作一台“机器战甲”，力量会有大幅度的提高。“每条腿都有3个电机，每个电机对应了腿部的人体的髋关节、膝关节和踝关节，通过电机，达到给每个关节助力的作用。”在系统膝关节上侧，记者看到还设置了5格档位，身高1.7米到1.8米的人穿戴可以根据身高自行调节，而鞋子也是特别定制的，每只足底装了4个传感器。

一套外骨骼系统造价在30万元以内。从3月份立项，到搭建本体、做控制程度、传感器，陈剑和他的团队相继攻克了降低机器人重量、电机联调和如何准确获取运动意图等难题，预计本月底试制完成样品。

通过一个头盔，截瘫患者可用意念实现站立、行走

在身上穿一层“钢铁外衣”，行动还能自如？陈剑现场给我们进行了演示。

在工作人员的帮助下，陈剑先将脚固定在机器人的“脚上”，然后再将小腿、大腿和腰部与机器人固定在一起，打开开关后，准备行走。只见陈剑轻轻一抬腿，机器人很快就感知到了这个动作，以几乎相同的角度屈伸跨步。

据陈剑介绍，按驱动方式分，目前世界上研制的外骨骼机器人有液压驱动、气动驱动和电机驱动，而他们研制的就是第三种。“就像我刚刚做的动作，人要抬腿走路时，会产生一个运动趋势，这个信号传达给足底的传感器，反应到大小腿肌肉，再传达给控制器和驱动器，继而自动设定关节的旋转角度，系统本身通过检测压力变化和人体姿态变化，解读运动意图，推动人体行走，达到相一致的动作，这就是机器人的工作原理。”

而在世界杯亮相的这一套外骨骼机器人系统，由加州伯克利分校研制。先进所助理研究员王玉成博士分析，巴西这套外骨骼的工作原理，和他们研究的有所不同。

通过一个头盔，监测截瘫患者的大脑神经信号，信号将传输给外骨骼机器人系统，系统根据患者的意念展开行动，从而实现站立、行走。“但是，这种信号传递方式，有诸多的不稳定性，因为脑电识别的动作也是有限的。”

能协助负重70公斤的重物，也能一拳打穿墙体救人

外骨骼机器人的概念最先在上世纪60年代由美国通用公司提出，上世纪70年代，美国麻省理工大学也开始立项研究。2000年以后，加州伯克利分校研制的外骨骼系统被美国军方看中，开始运用到军事领域。之后，欧洲的汽动外骨骼机器人和日本以康复训练为主的外骨骼机器人相继问世，中国起步较晚。

“在美国，外骨骼机器人通过不断调整功能，成为可以多功能地辅助人体机能的系统。”陈剑告诉记者，当时外骨骼的运用主要分为两类，一类是军用，以负重为主，另一类是商用，全身性地以增强人体功能。

事实上，在民用领域，外骨骼机器人也可以广泛应用于登山、旅游、消防、救灾等需要背负沉重的物资、装备而车辆又无法使用的情况。

而陈剑团队研制的，属于助力负重型的机器人。陈剑比了个形象的概念：假如你要负重200斤的东西，穿上外骨骼机器人，这件事情就变得轻而易举。“其中80%的重量都能通过机器人助力。”

EXOP-1计划承受负重70公斤，其中助力功预计达到70%以上，目前已有多地消防公安部门有预订意向。“我们设计的外骨骼是给正常人穿戴的，可以运用在消防救火上，帮助消防员负重灭火物资。”

目前，他们团队的第二代认知外骨骼机器人也已经在研制中，相比第一代，从系统到助力功效，将有更大的提升。“高楼大厦着火，穿着外骨骼的‘钢铁蜘蛛人’去灭火，或者在灾区，一拳打穿墙体救人，也不是没有可能。”

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外骨骼机器人

外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，它将人的智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起，可以给人提供额外的动力或能力。由于其安装位置和产生的作用和生物界中的骨骼很相似，故将其称为人类外骨骼。

延伸阅读：应用仍有多重困难

据了解，虽然人类外骨骼在最近十几年取得了很大的进展，然而现实中还有许多问题需要解决。

目前人类外骨骼主要通过采集肌电信号和力反馈的方法来获取穿戴者的运动意图，肌电信号采集的方法有很严格的外界环境限制，一旦信号采集的地方发生微小的变化（如流汗等）就会干扰信号的采集；而力反馈法具有本质上的滞后性，当穿戴者做出快速的运动或者高难度的动作时就会有阻碍感。

人类外骨骼主要通过捆绑的方式与穿戴者连接在一起，而这种方式具有很大的缺陷，如人体捆绑部位会因带子的束缚产生血液流通不畅等问题；捆绑处因肌肉的收缩、伸展产生的形状变形会很大程度上影响人类外骨骼的定位精度。

而且，人类外骨骼使用的便携式能源只能给系统提供2至9小时的续航时间，所以开发新的便携能源将成为需要解决的研究难题。

此外，由于人类的生理机构具有承受极限，每个关节有运动范围的限制，因此在人类外骨骼设计中，要防止对穿戴者造成伤害。

（吴燕翎 文摄）