未来可穿戴外骨骼机器人发展的“关键技术”

可穿戴外骨骼机器人，是将机电一体化、生物力学、人体传感网络、步态分析和智能化等多领域科技融合而成的高技术产物，不仅在军事上有所应用，随着技术的逐渐发展，外骨骼机器人在医疗领域的相关技术也逐渐成熟，应用面更为广泛。介于外骨骼机器人相关报道和介绍不够详细，下面来为大家详细介绍可穿戴机器人的一些关键技术。

高功率密度动力源

外骨骼装备要求高效、长久、轻便、安全地能源供给，动力源问题是外骨骼机器人的关键难题之，尤其是室外应用的外骨骼机器人，通常难以获得外部能源供应。因此，自身能否实现可靠、高密度、长续航时间的集成动力能源供应，是外骨骼机器人能否实现室外使用的核心问题之一，目前全球范围内还没有更好的突破。

如美国伯克利大学的 BLEEX装置集成了动力源，以背包的形式背在穿戴者身上，但系统体积、重量过大，动力源成为了主要负重，长时间使用会导致穿戴者膝盖、脊柱、肩部不适；雷神公司XOS2系统自带电源只能使用40 min，长时间使用必须依靠地面供电且连接油管，给使用带来不便。

以蓄电池作为动力源的，工程实现简单、易控制、噪声小，但续航时间短、输出功率低；采用液压驱动的动力模块，可提供较大的功率和相对较长的持续工作时间，但噪声、振动、发热量大，控制复杂。因此，针对室外应用的外骨骼机器人，需要开发设计出续航时间长、质量功率比高、安全性能符合要求的专用动力输出能源；另一方面还应尽量减少机械部分的能源消耗，通过智能化管理实现能源的高效循环和利用。

新型材料技术

当今外骨骼样机通常采用金属材料作为机械结构，但是其自重过大，导致有效载荷低下、等效惯量大等问题。因此应研发新型轻量化材料替代，现在已有机构研究采用钛合金材料、新型高分子材料、高强度碳纤维材料、铁电体聚合物、离子型人工肌肉、电子型人工肌肉和液态金属等新型材料，其中碳纤维材料作为一款轻质高强的高性能复合材料，是轻量化的不二选择。

苏州挪恩复合材料专业从事碳纤维复合材料的研发与加工，其合作伙伴遍布国内外，涉及的行业有军工、汽车、医疗、航空航天、体育等领域。挪恩复材曾为国内某医疗器械厂商定制碳纤维外骨骼机器人部件，有数据显示，使用碳纤维复合材料的外骨骼机器人整体重量，相较传统金属材质可减少约40%的重量，且碳纤维在康复型外骨骼机器人方面拥有较大的发展空间。

新型传感元件

外骨骼机器人系统用到的传感器，可分为采集穿戴者交互信息的传感器和采集机器人自身状态的传感器，由于受体积、重量、外形结构等限制，通常需要研究者根据实际情况自行设计所需要的传感元件。有些系统采用应变片组建的惠更斯电桥作为敏感单元，应用于足底的压力检测；有些系统采用微型光学器件的拉压力传感器，还有些系统采用微型敏感元件阵列等，以测量穿戴者施加在绑带上的接触应力，从而计算操作者的运动意图。

新型执行元件

新型作动器的研究需关注阻抗特性、响应速度、安全性等问题。目前，应用最广泛的是串联弹性转动作动器，该类型作动器是在关节的驱动电机与机械之间添加1个弹簧，通过测量弹簧形变可以得到作动器的输出扭矩，从而实现关节的扭矩控制和阻抗控制。

除此以外，还有采用电机、带轮实现的刚度可变的作动器，可调串联弹簧的变刚度作动器，并联一串联作动器，以及气动人工肌肉等多种新型执行元件

目前外骨骼机器人在工作时，大部分都需穿戴者直接捆绑接触，背负较大质量，对人力肌肉产生较大的作用力。如果外骨骼机器人发生故障或预期运动判断错误，将严重威胁到穿戴者的安全，导致人体肌肉拉伤、骨骼折断、关节受损和人员受伤等危险。尤其是发生误操作、跌倒等意外故障时，采用金属材料的外骨骼更会对穿戴者带来很大危险。但如何保证外骨骼机器人的安全性使用问题上，国内外还并无统一的认识和措施。

另外，由于人体结构不是完全相同的，身高、体重、体宽、骨骼长度和关节位置等人体差异于生，导致外骨骼机器人难以普遍适应所有人群，难以实现工程化量产和普遍应用。现在大部分商业用外骨骼机器人还是医疗康复领域针对患者特殊订制的产品。以上这些问题都大大影响了外骨骼机器人的实用化和产业化，急需科研人员以及专家教授们解决。