穿上即刻变身“钢铁侠” 西安科学家研发“外骨骼机器人”

来源:西安晚报    作者:张潇   发布时间:2018-04-03    
  
        外骨骼助力机器人。(受访者供图)
  穿上神奇的“盔甲”,上天入地无所不能。这是漫威超级英雄“钢铁侠”的荧幕形象。这些电影中的高科技,正在一点一点走向现实。中国兵器工业集团西北机电工程研究所,日前对外发布其研制的“穿戴式外骨骼助力机器人”第二代样机,让人们能够利用先进的机器人技术提高负重携行与搬运能力。该所特种装备研究室副主任、创新团队带头人莫新民表示,样机的功能与性能指标已接近或达到国际同类装备技术水平。
  新技术可让人
  “举重若轻、健步如飞”
  “穿戴式外骨骼助力机器人,是一款智能仿生、单人操作的军民两用多功能携行助力系统。”莫新民告诉记者。从外观来看,它就像套在人体外面的一件强壮、灵活的“钢铁外衣”;穿上后,在人的双腿外侧就会增加一副机械腿,把背部的大部分负重传递到地面,同时人的运动灵活性也不会受到太大的影响——负重50kg的行进速度能达到每小时4公里,与普通人正常走路的速度差不多。直白地说,新技术就是让人可以“举重若轻、健步如飞”。此外,它还能适应1.6m—1.9m的身高范围,可连续工作4小时。穿戴也比较方便:自己穿需要约2分钟,有人辅助40秒就能穿好,脱卸只需要30秒,并可折叠运输。
  “这项技术,一开始设想在战场上使用。”莫新民说。原来,现代战争中,士兵携带的武器、弹药、防护、通讯与补给装备加起来已经超过了30kg,极大地影响了军事行动的速度,士兵也很容易疲劳受伤。于是,美国国防部高级研究计划局(DARPA)在2000年提出了“增强人体机能的外骨骼(EHPA)”项目,资助的多家科研机构和军工企业经过多年努力,在轻质高强度材料承载结构设计、轻小高效液压驱动、运动意图智能感知与协调控制方面取得了多项技术突破。后来,随着外骨骼技术的军民两用价值被不断发掘,很多国家纷纷加入到研究中进来,其中加拿大、澳大利亚、俄罗斯、英国、法国、土耳其的军用研究做得较好,以色列、日本、韩国的民用研究做得比较好,不过综合实力最强的还是美国。
  和世界顶尖产品对比不相上下
  “我们的研究2012年才从零起步,正式研发从2013年开始,经历了原理样机、初样机、工程样机三个阶段。”莫新民说,“目前已完成了第二代工程样机研制。相比第一代来说,系统更加轻量化,在应对复杂地形环境、随机性任务时具有较好的灵活性。”“和世界顶尖产品对比,我们产品的功能、性能不相上下,但是在产业配套能力、应用开发经验方面还有所欠缺。”莫新民坦陈,“虽然目前完成了下肢系统的研发,但是研发具有双腿和双臂的全身型外骨骼还需要解决一些问题,在成本、可靠性、可维修性、耐环境性等四个方面还需要进行一系列优化和提升。”
  其实,外骨骼助力机器人的研发并不容易。系统既要承载重量又要轻便灵活,对机构和动力单元的设计提出了近乎苛刻的要求;再加上它是穿在人身上使用的,而人的身材、步态千差万别,动作随意性很强,如何保证穿戴舒适性并快速准确地判断出人体运动意图,提供适时、有效、安全、可控的助力效果,是“一块非常难啃的硬骨头”。西北机电工程研究所团队经过五年多的刻苦攻关,基本解决了关键技术问题,并且全部为团队自主研发,拥有全部知识产权。
  将率先研发
  膝关节骨骼机器人
  “外骨骼技术虽然来源于军用,但实际上在民用领域用途更广。”莫新民介绍,“交通行业可以帮助机场、车站工人搬运行李;物流行业能够让工人更好地在狭小空间分拣搬运零星物资;制造业可辅助装配工人进行过肩作业、弯腰作业或下蹲作业,减少职业病发生几率;应急抢险时,一些车辆无法通行的场合,可以用外骨骼机器人背负运送救灾物资;对于残疾人或是不便行走的老人,外骨骼机器人的市场就更大了……实际上,只要是需要人的四肢出力的工作,我们都可以考虑用外骨骼技术来辅助支撑和助力。”
  “其实从去年底开始,我们开始进行了一些民用产品的研发。不仅工业市场,医疗市场需求更加旺盛,而且是刚需。”莫新民笑着说:“我们打算针对膝关节病人研发一款产品。因为膝关节病确实很多见,我母亲就患有这种疾病,我周围的很多同事也有过难受的经历,我很想让他们都能尽早用上产品。”
  “民用产品必须做到简单、高效、便宜和耐用,产品售价一定要让普通百姓能够接受,这是对团队能力新的考验,我们很愿意探探路!”莫新民很有信心地说。据他所述,今年7月份左右研究所将成立一家军民融合的外骨骼科技公司,率先研发预防膝关节病和改善症状的外骨骼装备,造福社会。
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