近日，在智博会上海航天控制技术研究所展台，“负载机动型外骨骼”闪亮登场。这款被称为钢铁侠动力装甲的机器人外骨骼究竟是什么样的呢？
外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。本文简要介绍的这一“负载机动型外骨骼”，是军事领域外骨骼世界机器人技术的发展结果，指的是套在人体外面的机器人，也称“可穿戴的机器人”。
“负载机动型外骨骼”可以附着在人的身上——脚上穿着智能传感靴，两根长杆沿着双腿外侧延伸至背部的装置，膝盖处与仿生结构的“膝关节”绑扎固定，此时肩负重物，也不会感到疲惫。即使是繁重的体力劳动，你都能轻易的做上好几个小时。
据了解，这一套装备自带移动电源和驱动装置，自重18公斤。穿上它后，在肩负重物的情况下，无论是上坡还是下坡，都犹如走在平路上一样轻松顺畅，甚至小跑也不成问题。
难度巨大 不断探索发展
外骨骼机器人的研制是个超级任务，要想制造一种可在需要的时候及时提供帮助且永远不会妨碍士兵行动的自动机器人化装置，替代他的手和足，承受95%的货物背负任务，并与人体完全结合，不但要完成其愿望，还要经常预判佩戴者的意图，研制难度不可谓不大。主要问题是发动机，它必须功率强大，无噪音，因而又衍生出了动力源和燃料问题。
能量供应也是一个主要阻碍。人体外骨骼的能量源必须是可移动的，并且能够为穿衣者所分派的任务来提供足够的能量，不应在任务进行中出现衰减。运动是另一个问题。人体可以走路，奔跑，及向前后任意弯曲。这些复杂的运动都已被证明是难以被机械所模拟的。
第一个能动的外骨骼在20世纪60年代末和70年代初诞生于通用电气（GE）和贝尔格莱德的Mihajlo Pupin研究所。在通用电气的哈迪曼项目是一个采用主从式控制系统、重达680公斤的大型全身式外骨骼。安全性和复杂性问题使其永远无法走路，甚至连稳定移动它的腿都不能。贝尔格莱德外骨骼是一个旨在帮助截瘫患者恢复的真人大小的下肢机器人。和哈迪曼项目一样，它连自身的电源都带不动。贝尔格莱德外骨骼只能遵循预先设定的步行运动，这极大地限制了它的用途。然而，这个项目所提出的零力矩点控制理论仍然应用在类人机器人上。
1970年的尝试以后，相对很少有人深入研究下肢外骨骼。加州大学伯克利分校在1993年所作的一个项目是电力补充。类似于哈迪曼项目，这种全身式骨骼采用电驱动增强人的能力。虽然伯克利项目采用力传感器来检测和增强人的力，但是在步行方面只获得有限的成就。
进入21世纪，外骨骼的研究开始复苏。在日本，神奈川技术研究所开发出一种全身“可穿戴动力服”，采用独特的气动执行机构驱动。它的三个执行机构（膝、腰、肘）上的力通过测量相对应的人体肌肉的硬度来控制。有限的驱动和缺乏便携式电源限制了这种外骨骼的应用。
美国有所突破 局限仍存
麻省理工学院从1978年就开始从事外骨骼机器人项目的研究，但至今尚未研制成功。目前，在五角大楼“增强人体机能的外骨骼”计划框架内，在完全(包括腿和手)的、可帮助举重若轻、健步如飞、可携载更多弹药和更重武器装备的军用外骨骼机器人研制方面，进展比较缓慢，不过，单个外骨骼机器人组件方面的研究还是有所进展。
伯克利大学机器人和人体工程实验室负责的伯克利下肢外骨骼（BLEEX）项目已经开发了一种高效自主且能携带自身重量以及外部负载的外骨骼。这种装置由背包式外架、金属腿及相应动力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源，以全面增强人体机能。这种外骨骼机器人能保障士兵在平面或斜面上行走，伯克利大学工程师表示，很快将教会BLEEX奔跑和跳跃。
所有以前的外骨骼不是连接着一个固定的电源就是没有强大到足以携带外部负载。此外，与矫形器和支架不同的是BLEEX将负载施加的力转移到地面上，而不是穿戴者身上。为了防止步行外骨骼的设计所固有的复杂性，BLEEX项目开发了一种新的控制方案，从而忽略了人或人机交互之间的测量误差。
但是，BLEEX毕竟只是两条可控制的机械腿，距离五角大楼要求的、由双手和双脚组成的完全的外骨骼机器人还有相当的距离。
负重还能自如 黑科技未来走向如何
而此次智博会上展示的“负载机动型外骨骼”，为何如此大的自重，使用者的行动不仅不被拖累还灵活自如？
据上海航天控制技术研究所研发人员介绍，“负载机动型外骨骼”利用高能量密度比液压伺服驱动技术等航天“黑科技”——负重感全部作用在背部的负重支架上，并通过仿生设计的外骨骼结构件，最终传递到地面。
这套装备能给人“减负”高达80%，目前主要为军用，在未来不仅能够大幅提高士兵的步行能力，还可以让士兵的负载提升到最大90公斤。
助力机器大致上可分为工程助力机器以及生物助力机器两大类，工程助力机器已经应用的领域有汽车(如电动助力转向系统)、工厂(如叉车、电葫芦)以及各种工程机械(如挖掘机、起重机)；而生物助力机器主要是人类使用的外骨骼助力机器人，其中可用在三大方面，即军事、民用、医疗。
可以说助力机器的本质就是将人类本身的力量和动作速度放大几倍甚至上千倍。将来的技术发展将会使助力设备就像我们人类穿戴的衣服一样，不仅不会对人本身的动作构成阻碍，还能根据人的大脑意识将人的目标动作(力量及速度)放大到需要的目标值，比如人自身不能抬起一辆小汽车，但穿戴外骨骼服装后单独的个体就能顺利的举起这辆汽车，并且还要能举着它走或跑着运动起来。将来应用的领域，未来的外骨骼助力装置能应用在包括军事、矿产、工业、医疗等等很多方面，由于未来需要人体的机能不断提升，甚至要远远超越自身极限，外骨骼助力设备会显得格外重要，最终成为必不可少的产品。
“我们对于医疗板块的外骨骼，功能也正在逐步被细分，有一种正是针对肢体力量薄弱的人。”上海航天控制技术研究所副主任设计师江金林告诉说除了军用，该研究所也正在研发适合民用的“负载机动型外骨骼”，未来，将开发出一款康复医疗外骨骼系统，用于辅助下肢疾病患者进行康复治疗，或用于老年人助力行走。
采编/王一心
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