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標題:    軟體外骨骼機器人技術     點閱:192   11/27/2019 6:35:18 PM

軟體外骨骼機器人技術

軟體外骨骼機器人技術

軟體外骨骼,

洛克希德馬丁公司設計的“軟體外骨骼”

這個精巧的腿支架實際上是洛克希德馬丁公司設計的"軟體外骨骼",用于支持腿部并增加腿部力量——對于需要進行長途巡邏的步兵而言,這可能是個"極佳禮物"。

華盛頓:可通過分析汗液化學成分監督佩戴者身體健康狀況的貼片。一個被稱為"折紙天線"的柔性無線電接收電子裝置,可以折疊成任何形狀并可接受不同波長無線電信號。一種力量增強型外骨骼,能在穿戴者肌肉收縮之前探測到微小電荷,隨后人工肌肉膨脹,與穿戴者共同運動,該設備發明者人之一將人工既然比作"非常結實的派對氣球"。

這些都是正在進行測試的真實設備,此類設備被稱為軟體外骨骼機器人技術或柔性混合電子設備:將微型超薄電子設備印刷在柔軟纖維物品上。(這是一種增才制造技術)。美國軍方知道此項技術具備潛在廣泛用途,可用于輕型無人機、保健穿戴設備、作戰部隊外骨骼。現在,特種作戰司令部終止TALOS外骨骼項目,該項目以設計鋼鐵俠式的動力外骨骼為目的,軟體外骨骼機器人技術既能單獨運用有能與硬質外骨骼相結合,可能是一種革命性士兵保護及增強裝置技術。

上周,來自多家企業、大學和國防部的300多名代表齊聚在圣何塞市,參加一年一度的"創新日"展會,該展會是由公私合作機構NextFlex主辦的專業科學展會。NextFlex成立于2015年,成員包括100多家企業和學術機構以及40個美國國防部機構,資金來源于私營企業成員和五角大樓。

NextFlex執行理事馬爾科姆·湯普森表示:"我們有兩套項目。"湯普森是一名英籍科學家,現在在美國創辦企業。NextFlex研制的很多軟體外骨骼機器人技術以商業用途為目的,尤其是適用于醫藥行業,此類軟體機器人設備包括可穿戴生物監測設備,用于監督水和作用、壓力以及傷口愈合情況。NextFlex還在正在研制一次性溫度傳感器,用戶可以將該傳感器粘貼在包裝上,湯普森告訴我:"可以即剝即貼!就像把一張郵票貼在信封上。"——可用于確保運輸中的包裝內的血樣或藥品溫度不會過高。

在NextFlex創新日展出的某些設備為民事用途,卻迅速引起軍方的注意。現在,喬治亞理工大學和洛克希德馬丁公司正主導開發一套用于增強士兵下肢力量的軟體外骨骼,該外骨骼未采用沉重的傳統剛性外骨骼。明年,大約20多套原型設備將被制作出來。

湯普森告訴我:"我集中精力從事這項研究,美國國防部對此很感興趣。"

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喬治亞理工大學和洛克希德馬丁公司的腿部支撐軟體外骨骼設計圖片

氣動外骨骼

軟體外骨骼看起來像是一個高科技腿支架,實際上卻是利用3D打印技術在可穿戴材料(例如氯丁橡膠或氨綸)上打印的一個微型傳感器陣列,再配置多個可按照指令充氣和放氣的充氣管。喬治亞理工大學工程師弗蘭克· 哈蒙德表示:"這些充氣管就像是非常結實的派對氣球"。(較為專業的技術術語為氣壓傳動裝置。)

當傳感器探測到穿戴者腿部肌肉即將收縮(關于傳感器探測腿部肌肉收縮的方式,我們將另尋時間進行說明),隨即將高壓空氣注入充氣管,讓充氣管與相應腿部肌肉群協調運轉。充氣管膨脹伸直,有助于穿戴者腿部伸展。(在充氣管內,安裝有更多傳感器,以精確監控充氣管充氣時的壓力)。當穿戴者肌肉松弛,充氣管隨之釋放高壓空氣。

好吧,如果有人期望見到電影《鋼鐵俠》、《星河戰隊》或《星際艦隊》那些可以跳過敵軍并使用大型金屬武器殺傷敵軍的外骨骼,那么這些人就會感到失望。在現實生活中,美國步兵通常要攜帶近100磅的裝備,包括防彈衣、武器彈藥、水壺、無線電設備、夜視鏡、備用電池等,讓他們筋疲力盡。這意味美國步兵很難在崎嶇地形很難追上輕裝塔利班人員,并且其膝蓋、背部和腳踝會受到損傷。美國陸軍已經對"機械騾子"進行投資,該項目旨在協助步兵搬運重物;有鑒于此,一種結構簡單,尺寸更小的可穿戴負重設備值得試一試。

軟體外骨骼,

美軍士兵要攜帶大量裝備

第一代設計以支撐膝關節為設計目標,喬治亞理工大學生物醫藥工程師亞倫·楊表示:"這種設計可以能便捷地轉化成其他關節支撐結構。"膝關節只能向一個方向彎曲,可作為一個簡單的設計起點。(膝關節無法像兩側彎曲,否則就受傷。)亞倫·楊表示:此膝關節支撐系統配置多個氣壓傳動裝置和較為復雜控制裝置,可以擴大穿戴者胯部和腳踝的活動范圍,進一步提高其下肢支撐狀況,甚至可以改善肩部運動狀況,從而提高穿戴者上肢力量,以便于其攜帶裝備和攀爬。

與其他實驗使用的剛性金屬外骨骼相比,這種氣動柔性外骨骼系統有什么優勢?重量輕,當系統運行并協助穿戴者動作時,設備自身重量消耗能量較少;金屬結構件數量少,電池也小很多,主動力裝置為一個五磅重壓縮空氣罐,工作原理與給自行車輪胎充氣沒什么區別。(穿戴者在用完一罐壓縮空氣后,可以更換一罐壓縮空氣,研究人員正在摸索讓一罐壓縮空氣就能讓軟體外骨骼系統運轉數小時的方法。)

軟體外骨骼系統對穿戴者造成意外傷害的幾率較低,可便捷地適應不同體型,即便被關閉或損壞,也不會對穿戴者造成干擾。但與剛性外骨骼相比,軟體外骨骼還不成熟。即便將軟體外骨骼潛力得到全部發揮,也無法全部替代剛性外骨骼系統。

洛克希德馬丁公司外骨骼產品經理凱斯·麥克斯韋表示:"軟體外骨骼用于降低人體代謝值和行動體能消耗,為人體提供能量,降低人體熱量消耗。但軟體外骨骼不能將負載從人體移除。"

換言之:軟體外骨骼機器人技術的作用就像為穿戴者提供更多肌肉,幫助人體承受負重,但只有剛性外骨骼可以起到類似骨骼的作用,支撐人體負重并將負重載荷轉移到地面。

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正在進行軍方測試的ONYX軟體外骨骼,由洛克希德馬丁公司制造

綜合技術方案

在洛克希德馬丁公司,麥克斯韋和同事們同時也在研制剛性外骨骼;他們將軟體外骨骼視為剛性外骨骼的補充,而不是替代品。如果穿戴者需要要長時間搬運重物,但不需要移動很長距離,例如在船廠或補給站工作,操作者可以采用一套單純剛性外骨骼系統,例如洛克希德馬丁公司制造的FORTIS外骨骼和Sarcos公司制造的3-mph "衛士"外骨骼。如果穿戴者不需要攜帶很多物品,但需要能夠輕巧靈活地走動,例如特種部隊突擊隊人員,穿戴者可以采用一套單純軟體外骨骼,例如喬治亞理工大學制造的氣動外骨骼。如果有兩種需求,將兩種外骨骼技術相結合,可能更有利與穿戴者。

兩種外骨骼最有效的技術融合重點為控制系統。剛性外骨骼基于所謂的"運動控制"原理,其基本原理為:當穿戴者肌肉開始運動時,外骨骼將被推動,一旦外骨骼探測到穿戴者肌肉運動,立即啟動驅動裝置,讓外骨骼串聯運動機構產生相應運動。這種控制方式有一個問題——外骨骼運動會出現延遲,即穿戴者已經開始運動,但外骨骼卻還沒有運動。

早期實驗型外骨骼存在著較多動作延遲情況,例如名字很貼切的"人類通用負載工具"(HULC)外骨骼就是如此,穿戴者在做動作時會有很大阻力,基本上就是穿著一個負重訓練機器;在與外骨骼"對抗"過程中,穿戴者的體能將很快被耗盡。洛克希德馬丁公司制造的最新外骨骼系統,例如ONYX外骨骼系統,利用先進軟件快速識別穿戴者動作并且讓外骨骼做出相應動作,從而將外骨骼阻力降至最低。洛克希德馬丁公司制造的最新外骨骼系統,例如ONYX外骨骼系統,利用先進軟件快速識別穿戴者動作并且讓外骨骼做出相應動作,從而將外骨骼阻力降至最低。當然,還需要為外骨骼系統配置運算速度更快的芯片和性能更好的傳感器。

可以選用智能微型仿生機器人技術傳感器,該傳感器能在穿戴者肌肉運動之前就能探測到相關信息。這是因為人體神經系統的運行基于電化學信號傳輸,此類傳感器就是探測這樣的信號。

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軟體外骨骼膝關節連接處

亞倫·楊介紹道:"一項被稱為'肌電圖'能探測人體肌肉在運動之前發出的電化學信號。"信號探測時間只需十分之一秒,即100毫秒。對于軟體外骨骼軟件而言,完全可以利用這100毫秒計算出哪塊肌肉即將運動以及運動量,隨即發出信號,讓外骨骼驅動裝置在同一時間和統一角度與穿戴者人體肌肉共同運動,不存在運動延遲,也不讓穿戴者感到動作受阻。

肌電圖控制系統本身就是一種軟體外骨骼機器人技術,完全適用于剛性外骨骼,讓剛性外骨骼能更靈敏地響應穿戴者做出的動作。因此,洛克希德馬丁公司認為可以將兩者外骨骼技術進行整合:將軟體外骨骼系統的反應靈敏性與剛性外骨骼的力量和強度相結合。這種綜合技術可讓攜帶著重型武器和裝甲的戰士可以像穿著長袍和人字拖鞋的塔利班人員一樣敏捷地爬上山坡。

麥克斯韋興奮地說道:"這是真是令人激動的事情。外骨骼不再是穿戴者的負擔,而是穿戴者人體的延伸。"






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