「兩會」記者裝備酷炫，但你聽說過外骨骼么？ | 原創
全國兩會正在緊鑼密鼓地召開中，記者們的鏡頭不僅記錄了大大小小的會議，還少不了關注同樣打拚在新聞一線的同行們——這不，記者就扛著這個大傢伙在兩會現場進行直播，設備塊頭之大讓媒體同行們都忍不住圍觀了。
圖片來源：網路
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其實，外骨骼離我們並不遙遠。第一件具有劃時代意義的機械外骨骼衣早在2002年就已在美國出現，之後，隨著相關技術不斷發展，經過包括研究機構、大學在內的多家機構不斷研發和改進，這件機械外骨骼衣有望在2018年上市（戰術突襲輕甲項目（Tacticaln Assault Light Operator Suit, nTALOS））。在中國，圍繞外骨骼的研究也一直在有序進行中。中國科學院深圳先進技術研究院的智能仿生中心，就是國內外骨骼研究團隊中的佼佼者之一。
智能仿生中心的外骨骼研發初期主要圍繞康復進行，目前已逐步過渡到康復與助力兩個重要功能同步研發。
為什麼做康復外骨骼？康復外骨骼是啥？截止到2014年底，我國老年人、殘疾人人數已經達到2.6億。這其中偏癱、截癱病患以及行走不便的老人數量呈逐年上升趨勢，使得助老助殘問題日益成為一個重大的社會問題。目前大部分的截癱、偏癱患者或行動不便的老人都是藉助抓取器具或輪椅以實現生活自理，能自如地抓取物品、站立、行走是他們最大的願望。同時，臨床醫學研究證明，腦卒中偏癱和脊髓神經損傷患者的中樞神經系統損傷後，其運動功能代償可以自然發生，但恢復過程非常緩慢，甚至出現功能代償錯誤。除了手術和必要的藥物治療以外，患者通過特定康復訓練，可以加速這個過程的進行，而且可以保證運動代償過程的正確性。開展運動康復治療不僅能夠防止關節攣縮，維持其活動度，而且能明顯提高患者肢體運動功能的最終恢復程度。因此，這種特定的康復訓練過程被臨床康復醫學者認為是一種中樞神經系統功能再學習或再訓練的過程，而且是不可或缺的。
康復用下肢外骨骼機器人是集成機械、電子、計算機、人工智慧等技術於一身的複雜智能系統，是一個極具挑戰性的項目。項目團隊在兩年時間裡先後研製出兩代機器人樣機：第一代樣機能夠較好地根據實際環境要求調整步態，但還無法很好地實現病患的穿戴行走，其原因在於病患與正常人行走步態的區別以及缺乏臨床實驗。在第二代樣機中，為了能夠解決這些問題，項目組成員通過大量的臨床實驗進行了多方面改進，基於康復機理設計出科學的步態規劃。智能仿生團隊研製的下肢助行外骨骼機器人可以穿戴在人體上，通過膝蓋和髖關節位置的驅動系統帶動人體腿部運動，實現行走。機械結構的設計基於人體工程學和仿生學機理，主體結構共有6個關節，8個自由度，能夠很好地貼合人體，保證了患者穿戴的舒適性。採用直流伺服電機通過絲杠傳動的驅動方式，使得機器人結構緊湊、輕巧同時具有較大的驅動力。通過分析感測器的數據，可以合理規劃並完善步態，同時設置了限位開關和急停開關，保證使用的安全性。與國內外同類型機器人相比，先進院的外骨骼機器人具有結構緊湊、多控制模式、智能步態規劃、康復訓練與殘障人士助力行走兼顧的特色。目前該團隊已經成功實現4例截癱病人穿戴機器人站立行走，向產業化應用邁出了關鍵一步。
截癱病人穿戴外骨骼機器人自主穿戴、戶外行走 圖片來源：中科院深圳先進院
那負重外骨骼是啥？顧名思義，負重外骨骼就是應用於正常人負重行走的穿戴式機器人。我國是製造業和農業生產大國，特別是一些重工業如造船、高速列車、大型軋鋼冶煉用的重型機床的製造等、農業耕作及收穫季節時，需要作業工人長時間處於彎腰、半蹲或保持抬起手臂來工作的狀態，長時間維持同一姿勢很容易出現疲憊、注意力下降等情況，導致工作效率下降，危險性增加；同樣的，在日益發展擴大的物流行業也存在著反覆的重物抬起、卸下、多點間搬運等特徵，這些工作同樣需要作業工人不斷的使用臂力、腰力等來完成工作，不僅容易疲勞，長期如此還會引發肩周炎、腰椎間盤突出等併發症，給作業工人帶來了許多健康隱患，影響到其未來的家庭生活。助力外骨骼機器人擁有更強的針對性、更廣的應用性，其融合了機器人學、人體生物力學、認知學等多種交叉學科。通過不同的作業環境分析工人其動作形態、關節及肌肉受力，解析其所需的助力部位，可以衍生出上肢助力外骨骼、腰部助力外骨骼、下肢助力外骨骼等等，可以有效的幫助長時間保持一種姿勢或是助力於反覆幾種姿勢的交替作業，不僅大大地減輕了作業者的身體負擔，還有使作業者高效、準確地完成任務。負重外骨骼機器人有兩方面的應用，在軍用方面，它不僅能夠提高士兵的承載能力，還能夠提高士兵的行軍速度，使士兵能夠負重長途跋涉與車輛無法通過的地方；在民用方面它也具有廣闊的應用前景，如抗險救災，建築施工，工廠勞作等。智能仿生團隊研發的負重外骨骼機器人具有4個主動自由度，8個被動自由度，採用液壓的驅動方式，能夠提供更大的負重能力，可以幫助穿戴者負重50-100kg正常行走。
負重外骨骼及複雜路面行走實驗圖片 圖片來源：中科院深圳先進院
作者系中國科學院深圳先進技術研究院高級工程師
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