通過傳感器、動力源和控制單元為外骨骼結(jié)構(gòu)提供機動性

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(xué)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(dǎo)致機體重復(fù)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(yù)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(dǎo)體公司是。該公司推出的能夠可靠地檢測和測量一個物體在嚴重且復(fù)雜操作條件下的角速率變化情況。舉個例子，ADI推出的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(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(xùn)練可以幫助用戶產(chǎn)生傳感器檢測需要的信號，不久學(xué)習(xí)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(dǎo)的運動配合下，微處理器能夠執(zhí)行預(yù)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(fù)身體能力的治療或訓(xùn)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(yīng)。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(wù)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(xué)習(xí)如何應(yīng)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(yīng)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(yīng)用，這些應(yīng)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(yīng)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(fù)運動的負擔(dān)，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(yīng)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。