柔性外骨骼助力机器人是一种可以穿戴在人体外部,通过计算机系统处理人体运动信息来控制外骨骼,从而辅助或者主动提供助力的机器人。与传统刚性外骨骼机器人相比,柔性外骨骼具有轻量化、低惯性、人机贴合性好、柔顺安全等优点。柔性外骨骼助力机器人在军事、民用、医疗康复等领域得到了大量的开发和应用,成为研究的重点。
国外从20世纪60年代开始对外骨骼机器人进行研究,美国加州大学伯克利分校、麻省理工学院和美国雷神公司等机构相继推出了多款外骨骼机器人。这些机器人多数采用刚性体结构,利用液压电机或直流伺服电机驱动,通过柔性绑缚装置与人体下肢关联,具有一定的助力效果。然而,由于其机械腿多为刚性结构,导致机构笨重,穿戴舒适性较差,并且可能限制人体运动的自由度,存在一定的技术难题。特别是在医疗康复领域,虽然代表性产品如以色列研制的 Rewalk 和哈佛大学研发的外骨骼机器人提供了很大的帮助,但刚性外骨骼助力机器人的机构笨重、人机贴合性差等问题仍待解决。
近年来,柔性外骨骼机器人逐渐成为研究热点,人们尝试使用多种控制方法试图改善刚性外骨骼机器人存在的问题。例如,瑞士苏黎世医学院康复中心研制的外骨骼机器人,通过使用控制器控制直流伺服电机驱动,以实现对人体的协助。这种方法能够更好地与穿戴者联结,但其启动的“勇士织衣”的研究项目表明,柔性外骨骼机器人在技术上还存在挑战。
柔性外骨骼助力机器人的关键技术包括人机柔性匹配性技术、驱动系统、传感器感知系统和智能控制系统。人机柔性匹配性技术关注如何提高穿戴者与机器人的贴合性以及提高助力的自然性和舒适性。驱动系统的研究集中在如何采用更高效、更轻便的驱动方式。传感器感知系统则需要更精确地实时检测和控制人体运动信息。智能控制系统则要根据检测到的数据进行智能化的推理和决策,从而更准确地控制外骨骼运动。
在外骨骼助力机器人的应用前景方面,除了在军事、民用和医疗康复等领域之外,还可以拓展到工业生产、紧急救援、抢险救灾等多个场景。研究方向则应该关注在轻量化设计、提高人机交互体验、降低能耗、提升助力效率等方面。技术发展的重点应放在开发新型的柔性材料、智能控制算法、以及高度集成的传感器技术等。
当前,柔性外骨骼助力机器人的研究仍然处于发展阶段,但随着材料科学、机器学习、深度学习等技术的进步,柔性外骨骼助力机器人的未来发展具有广阔的空间。通过技术突破和创新,未来可以期待柔性外骨骼机器人在多个领域内得到更广泛的应用,为人类的生活带来更大的便利。