2014年巴西世界杯開幕式上，一名患有截癱的巴西少年身穿一套“外骨骼”機器人，開出了本屆世界杯的第一球，從而成為全世界矚目的焦點。在中科院常州先進制造技術(shù)研究所（以下簡稱先進所），亦有一款高科技含量的機械外骨骼已研制成功，目前已進入調(diào)試階段。
今年3月，中科院常州先進所科研項目辦公室主任、副研究員陳劍和他的伙伴們瞄準外骨骼機器人系統(tǒng)，研制了名為EXOP-1(認知外骨骼機器人1號)的外骨骼機器人。被懸掛在先進所研究室的這套外骨骼，它有腳、有腿，與人的下半身十分相似，本體全部由航空鋁打造，在人體的腰部和腿部分別設(shè)有9處固定帶，并裝有22個傳感器，6個驅(qū)動器和1個控制器，重約20公斤。
陳劍介紹，穿上這一層“鋼鐵外衣”，就像操作一臺“機器戰(zhàn)甲”，力量會有大幅度的提高。“每條腿都有3個電機，每個電機對應(yīng)了腿部的人體的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，通過電機，達到給每個關(guān)節(jié)助力的作用。”在系統(tǒng)膝關(guān)節(jié)上側(cè)，還設(shè)置了5個檔位，身高1.7米到1.8米的人穿戴可以根據(jù)身高自行調(diào)節(jié)，而鞋子也是特別定制的，每只足底裝了4個傳感器。
一套外骨骼系統(tǒng)造價在30萬元以內(nèi)。從3月份立項，到搭建本體、做控制程度、傳感器，陳劍和他的團隊相繼攻克了降低機器人重量、電機聯(lián)調(diào)和如何準確獲取運動意圖等難題，預(yù)計本月底試制完成樣品。
通過一個頭盔可幫助截癱患者用意念實現(xiàn)站立行走。
在身上穿一層“鋼鐵外衣”，行動還能自如？陳劍進行了演示。在工作人員的幫助下，陳劍先將腳固定在機器人的“腳上”，然后再將小腿、大腿和腰部與機器人固定在一起，打開開關(guān)后，準備行走。只見陳劍輕輕一抬腿，機器人很快就感知到了這個動作，以幾乎相同的角度屈伸跨步。
據(jù)陳劍介紹，按驅(qū)動方式分，目前世界上研制的外骨骼機器人有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電機驅(qū)動，而他們研制的就是第三種。“就像我剛剛做的動作，人要抬腿走路時，會產(chǎn)生一個運動趨勢，這個信號傳達給足底的傳感器，反應(yīng)到大小腿肌肉，再傳達給控制器和驅(qū)動器，繼而自動設(shè)定關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，系統(tǒng)本身通過檢測壓力變化和人體姿態(tài)變化，解讀運動意圖，推動人體行走，達到相一致的動作，這就是機器人的工作原理。”
而在世界杯亮相的這一套外骨骼機器人系統(tǒng)，由加州伯克利分校研制。先進所助理研究員王玉成博士分析，巴西這套外骨骼的工作原理，和他們研究的有所不同。
通過一個頭盔，監(jiān)測截癱患者的大腦神經(jīng)信號，信號將傳輸給外骨骼機器人系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)患者的意念展開行動，從而實現(xiàn)站立、行走。“但是，這種信號傳遞方式，有諸多的不穩(wěn)定性，因為腦電識別的動作也是有限的。”
外骨骼機器人的概念最先在上世紀60年代由美國通用公司提出，上世紀70年代，美國麻省理工大學(xué)也開始立項研究。2000年以后，加州伯克利分校研制的外骨骼系統(tǒng)被美國軍方看中，開始運用到軍事領(lǐng)域。之后，歐洲的氣動外骨骼機器人和日本以康復(fù)訓(xùn)練為主的外骨骼機器人相繼問世，中國起步較晚。
“在美國，外骨骼機器人通過不斷調(diào)整功能，成為可以多功能地輔助人體機能的系統(tǒng)。”陳劍告訴筆者，當(dāng)時外骨骼的運用主要分為兩類，一類是軍用，以負重為主，另一類是商用，全身性地以增強人體功能。
事實上，在民用領(lǐng)域，外骨骼機器人也可以廣泛應(yīng)用于登山、旅游、消防、救災(zāi)等需要背負沉重的物資、裝備而車輛又無法使用的情況。
而陳劍團隊研制的，屬于助力負重型的機器人。陳劍比了個形象的概念：假如你要負重100公斤的東西，穿上外骨骼機器人，這件事情就變得輕而易舉。其中80%的重量都能通過機器人助力。
據(jù)悉，他們團隊的第二代認知外骨骼機器人也已經(jīng)在研制中，相比第一代，從系統(tǒng)到助力功效，將有更大的提升。“高樓大廈著火，穿著外骨骼的‘鋼鐵蜘蛛人’去滅火，或者在災(zāi)區(qū)，一拳打穿墻體救人，也不是沒有可能了。”
