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智能工具和人体骨骼,泛机器人应用的新领域——“未来机器”

发布时间:2015-09-11作者:华泰证券 章诚 肖群稀 秦瑞

一、机械骨骼发展概况

1.1智能工具目前最大的突破在于机械骨骼

智能工具是指,以智能设备(手机或控制器)为基础,在普通工具上增加电子化配件之后,通过软件系统与智能芯片等软硬结合的方式与智能设备建立某种联系,使得工具有智能化的功能。

目前,智能工具最大的突破在于机械骨骼。顾名思义,机械骨骼是通过人造方式而达到骨骼特性的辅助器械,是一种能够增强人体能力的可穿戴机器, 别名人力放大器。

     机械骨骼最初概念来源于生物学,是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构,比如昆虫身上能够起到帮助行动以及保护身体不受伤害作用的外壳。机械骨骼通过能源装置、机械传动系统及控制测试系统,保证人体各种动作于机械之间的协调性,使人类的力量成惊人的倍数放大,拓展了运用于未来各种行业的前景。它能够帮助人们跑得更快、跳得更高、能够携带更多更重的东西,并且帮助穿戴它的人在战场、建筑工地或者其它有危险的地方生存下来。

1.2机械外骨骼的发展历程

     机械骨骼最先进入人们视野是在科幻小说作家罗伯特•海因莱因1959年出版的著名科幻小说《星船伞兵》中,他提出了“动力装甲”这一科幻概念,其雏形就是机械骨骼。

     最早开始研究这项技术的主要是美国和日本。就用途来看,美国在机械骨骼上的发展是围绕军事用途展开的,日本公司则在努力以商业用途开发机械骨骼,特别是帮助残疾人和老年人进行日常生活和生活(散步、爬楼梯、负载等)。

20世纪60年代

     1960年,通用电气公司研制一种名为“哈迪曼1”的可佩戴单兵装备,采用液压电机驱动。该公司第一个提出并开展增强人体机能的主动助力型机械骨骼机器研究。其机械骨骼体积巨大且笨重,安全性能低,也只能取代单只手功能。

20世纪70年代

1978年,麻省理工学院研究了“增强人体机能的机械骨骼”,负重问题有所改善,其驱动能源与便携式问题尚未解决,没有完整的成果。

20世纪90年代

    1991年,日本神纳川理工学院开发了一套独立的可穿助力外套,称为“动力辅助服”,该产品使用肌肉压力传感器,分析佩戴者的运动情况,通过微型气泵、便携式镍镉电池及嵌入式微处理器,提供足够的助力。开发该产品是专为护士研制,可使人的力量增加0.5-1倍

2000年DARPA计划

2000年开始,美国国防部研究计划署(DARPA)征求人体能力增强系统的建议书,并要求这些机械骨骼系统能够提高士兵的力量和速度,而且还能通过内置的计算机辅助士兵在国外领土行军。

     由于当时该计划处于初期阶段,所以这些可穿戴机器的具体细节仍然非常模糊,不过DARPA已经为这些可穿戴机器确定了一些可以期待的要求,下面是研究人员期望机械骨骼在士兵身上实现的目标。

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机械骨骼实现四大要求必须配备传感器和全球定位系统(GPS)接收器。利用这一技术,士兵可以了解地形信息,从而找出行进到指定位置的最佳路线。

此外,DARPA还在开发与外骨骼配套使用的计算机化织物,用于监视士兵的心率和呼吸率。世界上第一件机械外骨骼衣——XOS系列

     2002年,SARCOS公司推出世界上第一件机械外骨骼衣(XOS)。穿上“XOS”时,用负重9kg的力量举起90kg的重物,并且能连续举50-500次。但“XOS”有一个重大缺陷,自带的电池只能使用40分,需要拖着一条电线随时充电。“XOS”证明了机械骨骼能像人体一样自由地运动。

     2010年,在雷神公司收购了SARCOS公司之后,推出升级版XOS2。相比它的前一代,XOS2重量更轻、速度更快,耗电量降低了50%,采用高压液压驱动,分为作战型和后勤型两种型号,作战型只有腿部和腰部附件,后勤型增加了双臂助力。

借助于XOS2,穿戴者可轻松将200磅(约合90公斤)重的重物举起几百次同时不会感到疲劳,此外还可重复击穿3英寸(约合7.62 厘米)厚的木板。

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世界上第一款商用机械骨骼——HAL

     日本筑波大学Cybernics实验室的科学家和工程师们在2004年研制成功。准确地说,这是一款自动化机器人腿。这种装置能帮助残疾人以每小时4公里的速度行走,毫不费力地爬楼梯。

     HAL由背囊、内装计算机和电池的一组感应控制设备、4个电传装置(对应分布在髋关节和膝关节两侧)组成。所有动力驱动、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备都装在背包中,电池挂在腰部,是一个可佩戴的混合控制系统。这款自动化机器人腿配备较多的传感器,如角辨向器、肌电传感器、地面传感器等,全由使用者通过自动控制器来控制,同时能够根据生理反馈和前馈原理研制的动力辅助控制器可以调整人的姿态,使其感到舒适。

     HAL已经投入商用,但仍在不断的改进中,如HAL-5系统是一个全身套装,目的是对肌肉萎缩或脑或脊髓功能损伤的人们在无人力援助的情况下进行协助。

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仿人体结构外穿型机械骨骼——HULC

      2010年,防务巨头洛克希德·马丁公司从美国陆军手中接过测试新一代“人类负重外骨骼”(HULC)系统的合同。该系统是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼,内部配备有液压传动装置和可像关节一样弯曲的结构设计,不但能够直立行进,还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作。

      HULC动力源为两块总重量3.6千克的锂聚合物电池。在一次充满电后,HULC可保证穿着者以4.8公里/小时的速度背负90千克重物持续行进一个小时,其冲刺速度则可达到16公里/小时。

      HULC系统可配备不同型号的装甲钢板、制冷/加热系统和传感器,其控制并不复杂,无需通过操纵杆或其他机械装置进行控制,便携式微型计算机可以让这种机械骨骼与士兵们的运动保持协调一致。

      HULC的主要定位是战斗辅助系统,武装新型单兵力量。在它的帮助下,士兵可以轻松举起大口径炮弹之类沉重的物品,在复杂地形下使用重型武器,从而极大地提高作战效率。未来将会增加防护装甲和各种传感器,从而打造一种全新的、以城市和山野等复杂地形为主要战场的新型单兵装备。

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仿生机械骨骼商用化——eLEGS

      2010年,伯克利仿生研究所以HULC模型为基础研制出的一种由电池提供动力的机械骨骼系统“eLEGS”。

      这是世界上第一款不使用绳或链达到自然行走目标的设备。它由一个机械框架组成,机械框架通过拐杖进行控制,拐杖中含有传感器,“阅读”使用者的手臂姿势,向前移动右拐杖,则左腿随之向前移动,反之亦然。这款机械骨骼系统可以助截瘫患者摆脱轮椅,以自然步态行走。同时,为满足瘫患者使用,“eLEGS”相对HULC使用起来更方便:在“eLEGS”上,有一个粘扣带,一个背包式的夹子和肩部背带,任何人都可以在一、两分钟内迅速穿上或脱下。

    “eLEGS”系统的电池能够保证使用者行走一整天,电量用完后需要换下来充电。eLEGS系统需要使用者花一段时间去适应,所以,最初只能用在康复疗养中心,在经过培训的物理治疗师的指导下使用。

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机械骨骼变形之织物骨骼外衣——Soft Exosuit

     2014年底,美国DARPA(国防先进研究项目局)与哈佛大学合作,为美军士兵研发一款名叫Soft Exosuit的外骨骼机器衣。

     与以往钢铁结构的外骨骼机器衣不同,主要材料是纺织物。骨骼外衣包裹在士兵的腰部和大腿周围,此外还有大量的微处理器、传感器以及随身电源,都将植入到外骨骼机器衣中,同时机器衣配置了微型电动机,可以给士兵提供额外的力量和运动能力增强士兵的肌肉力量和灵活性。

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二、机械骨骼应用

目前人类使用的机械外骨骼系统主要应用在两大方面:军事和医疗,未来在工业领域也能发挥一定的作用。

2.1各国竞相研究,军事应用率先发力

打造军事强国是机械骨骼发展的源动力,因此呈现出各国竞相研究的行业态势,可以预见军事应用将率先突破。

美国,俄罗斯、法国等国多年来潜心研制军事用骨骼系统,近年来其中较著名的有美国的“TALOS”项目、俄罗斯的“勇士-21”和法国的“大力神”。

表格2:世界各国最新作战机械骨骼:

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       机械骨骼军用价值在于军需物资搬运、强化士兵体能训练保证士兵长途行军之后的战斗力,将一个普通的战士武装成单兵作战能力超强的“超级步兵”。此类机械骨骼自身具有能源供应装置, 而且集成了大量的作战武器系统和现代化的通讯系统,传感系统以及生命维持系统。在未来复杂的实际战场上,机械骨骼发展有两大趋势:

      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。

      机器骨骼系统智能化,其最具现实意义的就是敌我识别功能,防止机械外骨骼系统被敌方利用,导致毁灭性的打击。

      超级步兵可以完成一般2-3人班组才能完成的机动作战任务,甚至可以使用更为重型的武器,如压制步兵的加特林机枪和对付轻装甲目标的机关炮。

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目前,军火商洛克希德马丁公司为了测试下一代HULC外置骨骼,使用一次的时间可长达72小时,已经同美国陆军签订了110万美元(约745万人民币)的合同。

2.2军用转民用,医疗应用市场空间巨大

      在医疗方面,步态训练是下肢功能障碍康复训练的主要方式,机械骨骼可以应用在神经康复领域的特定训练中,能够保证高效的康复训练,因此非常适合老年人和残疾人使用。

      以脊髓损伤为例,每年直接治疗成本达400亿美元。根据美国脊柱病协会统计,2013年全美有560万瘫痪病人,中风引起(29%)、脊髓损伤引起(23%)、多发性硬化症引起(17%)、脑瘫引起(7%)、小儿麻痹症引起(5%)等。以脊髓损伤为例,27.3万为脊髓损伤引起的全瘫病人(15%为退伍军人,享受相关福利),每年新增病例1.2万,每年脊髓损伤直接治疗成本达400亿美元。未来中风和脑瘫患者也是潜在市场,仅整个美国市场规模高达500亿美元,发展空间不可限量。

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目前比较有代表性的是美国的 eLEGS、日本的 HAL 系统、新西兰的 Rex 系统以及 ReWalkRobotics 公司的两款产品。

唯一一款获得 FDA 批准的机械骨骼产品——ReWalk

      ReWalk 技术采用了体感芯片,捕捉患者的肢体动作,帮助行走。通过电池驱动关节部位的电机,组成电动腿部结构,在行走过程中可以感应患者重心的变化,模仿自然行走的步态,并能根据实际情况控制步行速度。患者还能自行完成安装和拆卸,ReWalk 的设备通过感应器感知用户动作,站立、坐下通过手部无线腕表控制。

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      ReWalk Robotics 旗下共有两款产品,分别是ReWalk Personal 和 ReWalk Rehabilitation。前者主要适合家庭、工作或社交环境中使用,通过传感器和监控器,使患者站立、行走和爬楼。后者则是用于临床修复,为瘫痪患者提供物理治疗方式,包括减缓瘫痪导致的肢体疼痛、肌肉痉挛、帮助肠道消化系统、加速新陈代谢等。

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截止 2014 年 8 月份期间, 400 多名瘫痪患者练习使用了 ReWalk 产品和 2 万小时的使用时间,2014 年公司收入 395 万美元,较 2012 年增长3 倍多。

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能站立的轮椅替代品——REX

      REX是一种能站立的轮椅替代品,适合上肢功能正常的手推轮椅使用者,让行走障碍人士重新站立、转身、行走甚至上下楼梯。REX采用了坚固的轻质材料,从下至上的多处尼龙搭扣以及腰间的宽腰带将使用者的身体与外骨骼捆绑在一起,为了兼容轮椅的操控习惯,用腰间的两个操纵杆进行姿态控制。同时采用充电电池驱动,一次充电能行走2小时,为了延长使用时间,电池还能更换。

      唯一受限的地方是使用者必须满足如下的身体条件:身高在146厘米-195厘米之间,体重不超过100千克,臀围小于38厘米。

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2.3工业应用目前还处于探索阶段

      工业应用主要面向工程施工、紧急救助(疾病、事故、灾害、突发事件)、生产制造、搬运输送、危险工作(如核电站操作维护、航天空间站、深水作业)等。

      其中,工业生产领域机械骨骼主要有两方面用途:一是可以帮助生产线上的工人减轻重复劳作的压力;二是可用做手臂重物支撑,可以替代小型叉车。洛克希德马丁公司目前在研究开发一种适用工业的新型机械骨骼,它通过抽吸穿过金属框架的加热液压液体,从而扩大了人体的肢体力量,能够举起搬运更大重量的物体。同时EKSO也在工业环节布局,尤其是在重型机械操作上,可有效的保护操作人员。

      目前还没有正在面向工业的机械骨骼。仅有的几次应用是:1)2011年普吉特海湾海军造船厂一次高难度测试,工人身着全身外骨骼系统(HULC)托举电动砂轮机进行船体打磨,海军部随后发布了测试结果: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轻松完成任务;2)HAL被用于福岛核电站救助现场。

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三、机械骨骼技术透析

       机械骨骼的发展与相关技术的突破密不可分,早期主要体现在传感技术、材料技术和控制技术的进步。90年代中期体现在力反馈技术和触觉反馈技术的广泛应用。进入21 世纪后,能源技术、微驱动技术、材料科学、信息技术的发展,机械骨骼也逐步向实用化方向发展。

重中之重——传感器

       传感器是机械骨骼中最重要的核心零部件。通过传感器来收集使用者的活动信息,这些信息传递给信息处理器进行处理,然后启动相应的机械部件来输出能量。

在机械骨骼中可以使用的传感器种类很多,主要分为输入和输出。

 输入系统:包括角辨向器、肌电传感器、地面传感器、肌肉压力传感器等等。

 输出系统:液压系统和气压系统比较常见的。

      机械骨骼需要在极短的时间内判断出使用者的动作意图,并且给予恰如其分的帮助。以现在最成熟的军用机械骨骼采用肌肉压力传感器来收集用户动作为例:

      当人弯曲手肘时,上臂的肌肉纤维组织会紧靠在一起,从而牵动肌键运动,直观表现就是肌肉隆起。在机械骨骼与皮肤接触的肌肉压力传感器收集肌肉收紧的强度和方向,从而感应到操纵者的动作意图。它会把收集得到的数据资料传达给信息处理器——这是一个安装在背部的“背包”,可以看成一台电脑——信息处理器计算如何移动骨骼让使用者用力最小,然后再把指令传递到相关的关节,通过关节内部的液压机构传动装置产生精确的力量,从而做到与人的动作同步。目前在实际应用还存在时滞,但是时滞被控制在无法察觉的程度,这是因为机械骨骼能以每秒数千次的速度调整全身每一个关节。

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五大研究挑战方向:人造肌肉纤维、控制系统、机械结构设计、能量源、促动

机械骨骼技术目前尚处在研发阶段,成果只是取得初步进展,尚未形成可以切实应用的大规模产业。未来研究的方向主要集中在五个方面:

构造材料:人造肌肉纤维研究

人造肌肉纤维可以利用电压变化使人造纤维收缩或伸张来产生力量,从而取代目前通用的液压驱动系统,解决液体渗漏和人机间的磨合期问题。主流研究有两个方向:

化学能转化成电能。它用含有催化剂的碳纳米管弯曲搭建出肌肉块、“燃料细胞”电极和超级电容器电极,在充满氢的环境中,源源不断地产生电源。

化学能转化成热能。利用氢和乙醇反应提供能量,配合特制的记忆金属丝。例如,当温度降低时,金属丝就会收缩,催化剂减少作用,人造肌肉就会放松收缩。这种方法打造出来的人造肌肉力量最大,举力是正常骨骼肌肉的100倍以上

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未来,一旦人造肌肉用于机械骨骼机器人的手臂上,将实现人类意识控制人造肌肉的收缩和舒张来达到人体与机器人之间的协调。

控制系统研究

     控制系统研究目前有两个大的方向,第一是机械骨骼系统内控制,第二是基于网络技术的远程控制系统。

     相较于基于网络技术的远程控制系统仅仅停留在简单的动作示教层面或者只能对机器人关节或者末端执行器进行单个或者少数几个自由度的孤立控制这一明显缺点,系统内控制是未来发展的必然趋势。控制功能包括八种方法:操作者控制、肌电控制、预编程控制、主从控制、直接力反馈控制、地面反作用力控制、ZMP 控制、灵敏度放大控制。

机械结构设计研究

     机械骨骼必须能够左右和前后移动,设计的结构必须像人体一样带有可弯曲的关节。同时由于机械骨骼的受力部分主要是在下肢,因此为了达到减轻负重者负载从而节省体能的目的,那么就要求所设计的下肢必须能够承受足够强度的压力。

目前机械结构的分析与设计的热点和难点在于除了满足行走需要的基本条件外,还必须考虑到以下三个方面的要求:

安全性:机械骨骼与人体协调共处,二者不能发生冲突;

兼容性:机械骨骼的肢体几何尺寸能够调节,以适应不同的穿着者。

舒适性:增加人机接触缓冲装置,提高舒适性。

例如为了实现远程控制功能而提出的上肢外骨骼的结构设计之一便是采用“并联三自由度”+“四连杆机构”+“并联三自由度机构”来实现外骨骼“肩”、“肘”、“腕”关节的联动。

能量源

这些限制主要来自于能源——现在所使用的能源装置支持不了动力机械骨骼的能量消耗。补给能量之前,机械骨骼具有的能量必须足以支持24小时。此外,产生能量的装置必须便于背挎,对于机械骨骼研制者而言,创造出零噪音机器可能是最困难的一项任务。

促动

设计者必须使机器能够顺畅移动,以便穿用者不会太笨拙,与发动机一样,促动器也必




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