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外骨骼機(jī)器人及工作原理

嘉峪檢測網(wǎng)        2025-05-08 19:19

什么是外骨骼機(jī)器人

 

外骨骼機(jī)器人(Exoskeleton Robot)是一種可穿戴的智能機(jī)械裝置,能夠通過傳感器、驅(qū)動器和控制系統(tǒng)增強(qiáng)或輔助人體的運動能力。它結(jié)合了機(jī)械工程、人工智能、生物力學(xué)和材料科學(xué),廣泛應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)、工業(yè)制造、軍事防務(wù)等領(lǐng)域。

 

1. 核心原理與技術(shù)組成

(1)基本結(jié)構(gòu)

機(jī)械框架:輕量化金屬/復(fù)合材料,貼合人體關(guān)節(jié)(如腿、腰、手臂)。

驅(qū)動系統(tǒng):電機(jī)、液壓或柔性驅(qū)動器(如人工肌肉)。

傳感器:力傳感器、肌電(EMG)、慣性測量單元(IMU)等,實時檢測人體運動意圖。

控制系統(tǒng):AI算法處理數(shù)據(jù),協(xié)調(diào)動力輸出(如步態(tài)規(guī)劃)。

(2)工作模式

主動輔助:通過檢測用戶肌肉信號或運動趨勢,提供助力(如幫助癱瘓患者行走)。

被動支撐:僅提供結(jié)構(gòu)支撐,減少關(guān)節(jié)負(fù)荷(如工業(yè)外骨骼防腰肌勞損)。

 

2. 主要應(yīng)用領(lǐng)域

(1)醫(yī)療康復(fù)

癱瘓患者康復(fù):如Rewalk、Ekso Bionics幫助脊髓損傷患者重新行走。

卒中后訓(xùn)練:外骨骼輔助肢體運動,加速神經(jīng)功能恢復(fù)。

老年護(hù)理:助力老年人日?;顒?,延緩肌肉萎縮。

(2)工業(yè)制造

體力增強(qiáng):如振江股份的工業(yè)外骨骼適配比亞迪生產(chǎn)線,降低工人腰部勞損。

精準(zhǔn)作業(yè):機(jī)械臂外骨骼輔助裝配、焊接等高精度操作。

(3)軍事與應(yīng)急

單兵負(fù)重:美軍“TALOS”外骨骼提升士兵攜行能力(可負(fù)重90kg)。

救災(zāi)搜救:增強(qiáng)消防員或救援人員的體力與耐力。

(4)消費級應(yīng)用

運動助力:如日本Cyberdyne的HAL外骨骼增強(qiáng)登山者腿部力量。

游戲與VR:觸覺反饋外骨骼提升沉浸式體驗。

 

3. 技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

(1)當(dāng)前瓶頸

能源問題:電池續(xù)航短(現(xiàn)有產(chǎn)品通常僅支持4~8小時)。

人機(jī)交互:如何更精準(zhǔn)識別用戶意圖(尤其是腦機(jī)接口技術(shù)未成熟)。

成本高昂:醫(yī)療級外骨骼售價可達(dá)數(shù)萬美元。

(2)未來方向

柔性外骨骼:采用仿生材料,更輕便舒適(如哈佛大學(xué)的“軟體外骨骼”)。

AI自適應(yīng)控制:通過機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化助力策略。

腦機(jī)融合:直接通過腦電波(EEG)控制外骨骼(實驗階段)。

 

4. 代表企業(yè)與產(chǎn)品

企業(yè) 產(chǎn)品 應(yīng)用領(lǐng)域
Ekso Bionics(美國)
EksoNR
醫(yī)療康復(fù)
Cyberdyne(日本)
HAL
醫(yī)療/工業(yè)
Sarcos(美國)
Guardian XO
工業(yè)負(fù)重
Rewalk(以色列)
Rewalk Personal
癱瘓患者
大艾機(jī)器人(中國)
AiLegs
下肢康復(fù)

 

5. 外骨骼 vs 傳統(tǒng)機(jī)器人

對比維度 外骨骼機(jī)器人 傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人
交互方式
人機(jī)協(xié)同
全自動/編程控制
適用場景
靈活、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境(如人體)
固定、結(jié)構(gòu)化環(huán)境(如生產(chǎn)線)
技術(shù)核心
生物力學(xué)適配、輕量化
高精度、高負(fù)載

 

總結(jié)

 

外骨骼機(jī)器人是“人機(jī)融合”的典型代表,正在從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用。未來隨著AI、材料學(xué)和能源技術(shù)的進(jìn)步,它可能像智能手機(jī)一樣普及,徹底改變醫(yī)療、工業(yè)和日常生活方式。

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來源:工業(yè)機(jī)器人

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