研究一個外骨骼結(jié)構(gòu)提供的解決方案

雖然我們大多數(shù)人從未見過流行文化之外的外骨骼結(jié)構(gòu)，但是它們確實已經(jīng)存在幾十年了。第一個例子出現(xiàn)在19世紀末，當時開發(fā)出一款有助于跑步和跳躍的裝置，采用氣體動力學提供動力。20世紀60年代一些公司開發(fā)了針對軍事和工業(yè)用途的可穿戴“增強”設(shè)備，但是這些設(shè)備都太笨重，非常的不實用。近些年來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，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。

雖然我們大多數(shù)人從未見過流行文化之外的外骨骼結(jié)構(gòu)，但是它們確實已經(jīng)存在幾十年了。第一個例子出現(xiàn)在19世紀末，當時開發(fā)出一款有助于跑步和跳躍的裝置，采用氣體動力學提供動力。20世紀60年代一些公司開發(fā)了針對軍事和工業(yè)用途的可穿戴“增強”設(shè)備，但是這些設(shè)備都太笨重，非常的不實用。近些年來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，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：有動力驅(qū)動和無動力驅(qū)動（被動的）。無動力的外骨骼結(jié)構(gòu)依靠彈簧或其他動力來源來增強人的運動能力，這些單元會重新分配負載、利用彈簧存儲的能量、并在可能導致機體重復或長時間負載的情況下提供減震。有動力的外骨骼結(jié)構(gòu)則是通過電動機、傳感器、執(zhí)行器、動力源和控制單元在增加或提供運動能力。這些動力單元接收用戶輸入的某一信號，分析并解釋這個信號從而產(chǎn)生預期的運動結(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。

當前的焦點：行走輔助

現(xiàn)在研究工作的重點是幫助身體活動能力下降的人，給他們帶來一些便利。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)保持平衡和正常運行。

一家制造傳感器幫助外骨骼結(jié)構(gòu)保持平衡的半導體公司是ADI（亞德諾半導體）。該公司推出的iSensor MEMS陀螺儀子系統(tǒng)能夠可靠地檢測和測量一個物體在嚴重且復雜操作條件下的角速率變化情況。舉個例子，ADI推出的ADIS1647x精密型迷你工業(yè)IMUs系統(tǒng)提供了一種簡單的方法能夠?qū)⑼暾膽T性系統(tǒng)集成到工業(yè)和移動物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）應用程序中，包括外骨骼結(jié)構(gòu)，它可以幫助解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。比如ADIS16477慣性測量單元（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操作，這些組件集成在一個小型的標準封裝單元內(nèi)。ADIS1647x的每個慣性傳感器結(jié)合了行業(yè)領(lǐng)先的iMEMS技術(shù)和信號調(diào)節(jié)優(yōu)化動態(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)從而實現(xiàn)期望的效果：

拐杖或手杖提供動作感應，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)的運動方向

通過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）傳感器安置在一個特殊的帽子上可以監(jiān)測頭部神經(jīng)信號，通過訓練可以幫助用戶產(chǎn)生傳感器檢測需要的信號，不久學習算法可能就可以感知一個人的大腦活動，從而發(fā)出運動信號

在積極引導的運動配合下，微處理器能夠執(zhí)行預定的動作，比如坐下，手腕上的控制面板或其他部分的電動機會被激活。行走輔助外骨骼結(jié)構(gòu)可以幫助腿部喪失永久運動能力的人，或者作為一種幫助用戶恢復身體能力的治療或訓練設(shè)備。

烏龜還是貓？

防止摔倒是外骨骼結(jié)構(gòu)開發(fā)人員的主要目標，借助算法來檢測腿部的運動狀況，然后使用電動機、執(zhí)行器對行走動作施加一定的力量。如果用戶滑到無法避免，那么外骨骼結(jié)構(gòu)必須對此作出及時的反應。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)移到一只貓的問題上來，這只貓總是能四腳著地。任務是確定如何明智的判斷跌倒，以便可以通過簡單的操作就可以站起來。行走輔助外骨骼結(jié)構(gòu)有編程算法，如果失去動力它就會“優(yōu)雅的崩潰”。

圖1：海龜+倒過來=麻煩，這對于笨重的外骨骼結(jié)構(gòu)來說同樣如此

外骨骼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)必須能夠接收指令并學習如何應對不嚴重的絆倒，以及在面對嚴重摔倒時采取最佳的姿勢，正確的摔倒也是一樣重要的技能，將這種技能傳授給機器人外骨骼系統(tǒng)使得它們在現(xiàn)實生活中更加的實用。例如建筑工地用的外骨骼結(jié)構(gòu)如果對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產(chǎn)損失。在摔倒過程中盡可能的減少損失可能會降低大量的維修費用。

外骨骼結(jié)構(gòu)的其他應用

除了像步行輔助外骨骼結(jié)構(gòu)這樣的個人用設(shè)備之外，還有很多其他的應用，這些應用已經(jīng)在現(xiàn)有的技術(shù)條件下實現(xiàn)了。想象一下一個比背包大不了多少的非常精簡的外骨骼結(jié)構(gòu)，通過位置傳感器、運動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)化應用則采用一系列完整或部分外骨骼結(jié)構(gòu)來減輕下腰引發(fā)的疼痛（通常是相關(guān)職業(yè)造成的）。這種通過全外骨骼結(jié)構(gòu)或部分結(jié)構(gòu)來降低重復運動的負擔，限制了體能消耗無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)在新的應用中發(fā)揮作用。展望未來我們可能會看到第一批使用外骨骼結(jié)構(gòu)來提升效率的用戶，同時還可以減少各種緊急情況下存在的危險。警察甚至可能會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。