通過(guò)傳感器、動(dòng)力源和控制單元為外骨骼結(jié)構(gòu)提供機(jī)動(dòng)性

雖然我們大多數(shù)人從未見(jiàn)過(guò)流行文化之外的外骨骼結(jié)構(gòu)，但是它們確實(shí)已經(jīng)存在幾十年了。第一個(gè)例子出現(xiàn)在19世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)出一款有助于跑步和跳躍的裝置，采用氣體動(dòng)力學(xué)提供動(dòng)力。20世紀(jì)60年代一些公司開(kāi)發(fā)了針對(duì)軍事和工業(yè)用途的可穿戴“增強(qiáng)”設(shè)備，但是這些設(shè)備都太笨重，非常的不實(shí)用。近些年來(lái)組件的微型化以及重量的減輕使得可穿戴外骨骼設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)，例如一名曾經(jīng)癱瘓的女士穿著外骨骼架構(gòu)設(shè)備完成了2012年的倫敦馬拉松比賽。

外骨骼結(jié)構(gòu)的分類

外骨骼結(jié)構(gòu)可以分為兩類：有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和無(wú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)（被動(dòng)的）。無(wú)動(dòng)力的外骨骼結(jié)構(gòu)依靠彈簧或其他動(dòng)力來(lái)源來(lái)增強(qiáng)人的運(yùn)動(dòng)能力，這些單元會(huì)重新分配負(fù)載、利用彈簧存儲(chǔ)的能量、并在可能導(dǎo)致機(jī)體重復(fù)或長(zhǎng)時(shí)間負(fù)載的情況下提供減震。有動(dòng)力的外骨骼結(jié)構(gòu)則是通過(guò)電動(dòng)機(jī)、傳感器、執(zhí)行器、動(dòng)力源和控制單元在增加或提供運(yùn)動(dòng)能力。這些動(dòng)力單元接收用戶輸入的某一信號(hào)，分析并解釋這個(gè)信號(hào)從而產(chǎn)生預(yù)期的運(yùn)動(dòng)結(jié)果。圖像傳感器、中央控制單元（CPU）以及執(zhí)行器取代了生物系統(tǒng)的神經(jīng)、大腦和肌肉等組織。

當(dāng)前的焦點(diǎn)：行走輔助

現(xiàn)在研究工作的重點(diǎn)是幫助身體活動(dòng)能力下降的人，給他們帶來(lái)一些便利。一些公司已經(jīng)在生產(chǎn)行走輔助外骨骼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的原型，且開(kāi)始小批量的生產(chǎn)。這些外骨骼結(jié)構(gòu)通常是一套綁在使用者腿上的支架和腳踏板，執(zhí)行單元由可充電電池供電。采用陀螺儀、傾斜傳感器、慣性傳感器和加速度傳感器等提供必要的反饋，從而幫助外骨骼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)保持平衡和正常運(yùn)行。

一家制造傳感器幫助外骨骼結(jié)構(gòu)保持平衡的半導(dǎo)體公司是。該公司推出的能夠可靠地檢測(cè)和測(cè)量一個(gè)物體在嚴(yán)重且復(fù)雜操作條件下的角速率變化情況。舉個(gè)例子，ADI推出的提供了一種簡(jiǎn)單的方法能夠?qū)⑼暾膽T性系統(tǒng)集成到工業(yè)和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）應(yīng)用程序中，包括外骨骼結(jié)構(gòu)，它可以幫助解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。比如ADIS16477慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器采用三軸加速度傳感器和陀螺儀提供六自由度的感應(yīng)操作，這些組件集成在一個(gè)小型的標(biāo)準(zhǔn)封裝單元內(nèi)。ADIS1647x的每個(gè)慣性傳感器結(jié)合了行業(yè)領(lǐng)先的iMEMS技術(shù)和信號(hào)調(diào)節(jié)優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能。

有以下幾種方法能夠?qū)⒂脩舻囊鈭D傳遞給外骨骼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)期望的效果：

拐杖或手杖提供動(dòng)作感應(yīng)，與用戶的腿部建立數(shù)據(jù)通信

身體傾斜傳感器接收指令，指示外骨骼結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向

通過(guò)靈活的肌肉收縮肌電圖描記系統(tǒng)（EMG）能夠讓用戶操作外骨骼結(jié)構(gòu)

腦電圖描記（EEG）傳感器安置在一個(gè)特殊的帽子上可以監(jiān)測(cè)頭部神經(jīng)信號(hào)，通過(guò)訓(xùn)練可以幫助用戶產(chǎn)生傳感器檢測(cè)需要的信號(hào)，不久學(xué)習(xí)算法可能就可以感知一個(gè)人的大腦活動(dòng)，從而發(fā)出運(yùn)動(dòng)信號(hào)

在積極引導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)配合下，微處理器能夠執(zhí)行預(yù)定的動(dòng)作，比如坐下，手腕上的控制面板或其他部分的電動(dòng)機(jī)會(huì)被激活。行走輔助外骨骼結(jié)構(gòu)可以幫助腿部喪失永久運(yùn)動(dòng)能力的人，或者作為一種幫助用戶恢復(fù)身體能力的治療或訓(xùn)練設(shè)備。

烏龜還是貓？

防止摔倒是外骨骼結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)人員的主要目標(biāo)，借助算法來(lái)檢測(cè)腿部的運(yùn)動(dòng)狀況，然后使用電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行器對(duì)行走動(dòng)作施加一定的力量。如果用戶滑到無(wú)法避免，那么外骨骼結(jié)構(gòu)必須對(duì)此作出及時(shí)的反應(yīng)。研究人員和工程師們正將注意力從海龜?shù)木骄常ㄈ鐖D1）轉(zhuǎn)移到一只貓的問(wèn)題上來(lái)，這只貓總是能四腳著地。任務(wù)是確定如何明智的判斷跌倒，以便可以通過(guò)簡(jiǎn)單的操作就可以站起來(lái)。行走輔助外骨骼結(jié)構(gòu)有編程算法，如果失去動(dòng)力它就會(huì)“優(yōu)雅的崩潰”。

圖1：海龜+倒過(guò)來(lái)=麻煩，這對(duì)于笨重的外骨骼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)同樣如此

外骨骼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)必須能夠接收指令并學(xué)習(xí)如何應(yīng)對(duì)不嚴(yán)重的絆倒，以及在面對(duì)嚴(yán)重摔倒時(shí)采取最佳的姿勢(shì)，正確的摔倒也是一樣重要的技能，將這種技能傳授給機(jī)器人外骨骼系統(tǒng)使得它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中更加的實(shí)用。例如建筑工地用的外骨骼結(jié)構(gòu)如果對(duì)不可避免的摔倒作到盡可能的控制，那么就不太可能造成人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。在摔倒過(guò)程中盡可能的減少損失可能會(huì)降低大量的維修費(fèi)用。

外骨骼結(jié)構(gòu)的其他應(yīng)用

除了像步行輔助外骨骼結(jié)構(gòu)這樣的個(gè)人用設(shè)備之外，還有很多其他的應(yīng)用，這些應(yīng)用已經(jīng)在現(xiàn)有的技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)了。想象一下一個(gè)比背包大不了多少的非常精簡(jiǎn)的外骨骼結(jié)構(gòu)，通過(guò)位置傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器和陀螺儀能夠給穿戴者提供穩(wěn)定的支撐，為那些平衡不足的人提供足夠的肌肉力量。工業(yè)化應(yīng)用則采用一系列完整或部分外骨骼結(jié)構(gòu)來(lái)減輕下腰引發(fā)的疼痛（通常是相關(guān)職業(yè)造成的）。這種通過(guò)全外骨骼結(jié)構(gòu)或部分結(jié)構(gòu)來(lái)降低重復(fù)運(yùn)動(dòng)的負(fù)擔(dān)，限制了體能消耗無(wú)疑是減少工人受傷的一條途徑。

隨著材料和組件變得更小更輕，外骨骼結(jié)構(gòu)將繼續(xù)在新的應(yīng)用中發(fā)揮作用。展望未來(lái)我們可能會(huì)看到第一批使用外骨骼結(jié)構(gòu)來(lái)提升效率的用戶，同時(shí)還可以減少各種緊急情況下存在的危險(xiǎn)。警察甚至可能會(huì)拋棄他們的賽格威踏板車（Segway），轉(zhuǎn)而使用外骨骼結(jié)構(gòu)輔助設(shè)備。