55N額外推力、1.15公斤重！這臺軟體外骨骼專為老人走路搭把手

總重只有1.15公斤、0.2秒可充氣、髖關(guān)節(jié)能多得到13.5%-18.7%的額外助力。這不是健身黑科技，而是一臺能穿在身上的軟體外骨骼。

全球老齡化正在加速，到2050年，65歲以上人口將占總?cè)丝诘?6%。走路，這件年輕人覺得理所當(dāng)然的事，對很多老人來說卻成了一種掙扎。雙腿發(fā)軟、關(guān)節(jié)僵硬、上個臺階要扶墻，走不了多遠(yuǎn)就得坐下歇一歇。

傳統(tǒng)的剛性外骨骼太沉、太僵、太像把人塞進(jìn)機(jī)器人里。于是，中國科研團(tuán)隊(duì)換了個思路，不做鋼鐵俠，改做軟肌肉。他們把TPU織物做成氣囊，排成一列，充氣后互相擠壓、彎曲，像一組充氣的“肌肉束”一樣，推著大腿向前邁步，輔助走路，

這項(xiàng)研究于近日發(fā)表在人機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域頂刊《IEEE Transactions on Human-Machine Systems》上，由浙江工業(yè)大學(xué)牽頭，聯(lián)合中國計(jì)量大學(xué)、哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學(xué)、澳大利亞堪培拉大學(xué)共同完成。

01.

剛性外骨骼的尷尬：綁著鐵架子走路

先說說現(xiàn)有的剛性外骨骼。這類設(shè)備看起來很科幻，金屬關(guān)節(jié)、電機(jī)驅(qū)動、綁在腿上，像《流浪地球》里的外骨骼裝甲。

但實(shí)際用起來，還有很多缺陷。

首先就是重量問題，太沉。設(shè)備本身好幾公斤，老人本來就腿軟，再拖個鐵架子，更累。其次就是關(guān)節(jié)對不齊。機(jī)器關(guān)節(jié)和人體關(guān)節(jié)很難完美重合，走路時別扭不說，還可能傷到膝蓋。還有自由度少的問題。只能做幾個固定動作，老人想自然擺腿，有點(diǎn)難實(shí)現(xiàn)。

說白了，剛性外骨骼更像把老人塞進(jìn)一臺機(jī)器，而不是給老人一雙更舒服的腿。于是，研究團(tuán)隊(duì)把目光投向了軟體機(jī)器人。他們選擇用柔性材料做執(zhí)行器，像肌肉一樣柔軟、輕便、貼合身體。

02.

軟體外骨骼的核心：氣囊陣列如何變成“助力肌肉”

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的核心部件，叫軟體陣列執(zhí)行器。通俗講，就是一組用織物氣囊拼成的“肌肉束”。

原理很直觀，用TPU（熱塑性聚氨酯）織物做成一個個小氣囊，排成一列，固定在一條不可膨脹的基底上。

氣囊分兩種。一種是條形氣囊，充氣后會膨脹成圓柱形，像一根根香腸，相鄰氣囊膨脹時會互相擠壓，產(chǎn)生推力。一種是L形氣囊：放在兩端，起支撐和定位作用，保證推力方向一致。

軟陣列執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)與工作原理。(a) 軟陣列執(zhí)行器示意圖。(b) 軟陣列執(zhí)行器原型裝置。(c) L形氣囊示意圖及樣品原型裝置。(d) 條狀氣囊的示意圖、樣品原型及工作原理。

當(dāng)所有氣囊充氣，它們會像多米諾骨牌一樣依次膨脹、互相推擠，最終讓整個執(zhí)行器彎曲，并把彎曲的力傳遞到末端，也就是老人大腿的位置。簡單說，就是充氣→氣囊膨脹→陣列彎曲→推動大腿的過程。

而且，這些氣囊是織物做的，沒充氣時軟塌塌一片，可以折疊、卷起來，像一件衣服。充氣后又能撐出足夠的力量。

最關(guān)鍵的是，整臺軟體外骨骼沒有任何剛性零件。這意味著穿在身上幾乎感覺不到異物感，甚至能藏在日常褲子里。

軟陣列執(zhí)行器運(yùn)行過程中的受力分析。(a) 人體及大腿節(jié)段與軟陣列 執(zhí)行器的運(yùn)動學(xué)示意圖。(b) 執(zhí)行器在輔助大腿運(yùn)動時的受力分析

03.

數(shù)據(jù)說話：0.2秒充氣，輸出力超50牛

光說原理不夠，實(shí)測數(shù)據(jù)也很理想。

研究團(tuán)隊(duì)同步研發(fā)完成該軟陣列執(zhí)行器的原型裝置，由軟陣列執(zhí)行器、束帶、綁帶及緊身褲組成。組件均采用彈性親膚纖維制成，可有效降低因過緊或過敏導(dǎo)致的不適風(fēng)險(xiǎn)。這些部件通過魔術(shù)貼固定在不可膨脹基座上，適用于不同體型的穿戴者。由于設(shè)計(jì)中未采用剛性構(gòu)件，這款軟體機(jī)器人外骨骼的總重量僅約1.15公斤。

他們這個原型機(jī)做了大量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果相當(dāng)亮眼：

充放氣速度：對執(zhí)行器在不同氣壓下的階躍響應(yīng)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)從5kPa到100kPa工作氣壓，只需0.2秒；完全放氣也只要0.48秒。這個響應(yīng)速度完全跟得上老人慢速步態(tài)，不會機(jī)器人卡頓。

輸出力：把原型裝置佩戴在人形體模型上，在100kPa氣壓下，末端能產(chǎn)生53.7–55.7牛頓的推力，相當(dāng)于幫老人省掉了5.5公斤重的感覺。

助力扭矩：作用到髖關(guān)節(jié)運(yùn)動，以上推動力能提供8.1-11.2N·m的額外扭矩。這個扭矩是什么概念？研究團(tuán)隊(duì)測量了自然步態(tài)下老年人髖關(guān)節(jié)的最大扭矩（約60N·m），他們的軟體外骨骼能提供13.5%–18.7%的補(bǔ)充助力。相較于人體髖關(guān)節(jié)最大扭矩10%的要求，超額完成任務(wù)。

機(jī)械性能測試平臺及配備軟陣列執(zhí)行器的機(jī)器人外骨骼原型裝置

而且，他們建立了完整的理論模型。運(yùn)動學(xué)、接觸力、輸出扭矩、動力學(xué)，全都用公式推導(dǎo)了一遍，然后和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，吻合度很高。這說明這套軟體外骨骼的行為是可預(yù)測、可控的。

現(xiàn)在整體通過一組對比數(shù)據(jù)，可以直接看到它比傳統(tǒng)外骨骼強(qiáng)在哪？

重量輕、穿著舒服、助力不打折，可更加有力為行動不便的老年人提供持續(xù)穩(wěn)定的步態(tài)輔助。

04.

現(xiàn)在還差什么？

當(dāng)然，這篇論文也誠實(shí)交代了當(dāng)前局限。

首先是氣源問題，實(shí)驗(yàn)用的是外接空氣壓縮機(jī)，又大又吵。未來會集成一個2.5公斤的微型氣泵，別在腰帶上。

其次是控制非線性，由于TPU材料本身有彈性滯后，輸出力不是完美的線性關(guān)系。團(tuán)隊(duì)打算用非線性模型預(yù)測控制（NMPC）來搞定。

再就是還沒真人測試。目前用的是人腿模型，下一步需要招募老年志愿者，在真實(shí)步態(tài)中驗(yàn)證效果。

另外，他們計(jì)劃加入傳感器和實(shí)時步態(tài)識別算法，讓氣囊在人抬腿的恰當(dāng)時機(jī)充氣助力，而不是瞎幫忙。

05.

結(jié)語

隨著老齡化社會的加速到來，讓老人能走、敢走、愿意走，不僅是醫(yī)療問題，更是尊嚴(yán)保護(hù)問題。這臺軟體外骨骼，不是什么驚天動地的科幻大發(fā)明，但它的思路很對，不把老人塞進(jìn)機(jī)器，而是把機(jī)器變得像衣服一樣柔軟。

穿上它，老人不會覺得自己“殘疾了需要輔助”，而是覺得“腿上有勁兒了，走路不累了”，這是機(jī)器人發(fā)展更高階的形態(tài)。

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11466393/authors#authors