外骨骼
尽管最近关于外骨骼的消息越来越多，但事实证明，这项发明的历史可以追溯到 XNUMX 世纪。 了解它在过去几十年中发生了怎样的变化，以及其演变的转折点是什么样的。
1. Nikolai Yagn 专利插图
1890 – 创建外骨骼的第一个创新想法可以追溯到 1890 世纪。 420179年，Nicholas Yagn在美国申请专利（专利号US XNUMX A）“一种促进行走、跑步和跳跃的装置”（1）。 这是一种木头盔甲，其目的是提高战士在多公里行军中的速度。 该设计成为进一步寻找最佳解决方案的灵感来源。
1961 - 在 60 年代，通用电气与康梅尔大学的一组科学家一起，开始着手研制一种支持人体运动的电动液压服。 与军方在 Man Augmentation 项目上的合作促成了 Hardiman（2）。 该项目的目的是创造一套模仿人类自然运动的西装，让他能够举起重近 700 公斤的物体。 服装本身重量相同，但有形重量只有 20 公斤。
2.通用电气原型换热器
尽管该项目取得了成功，但事实证明它的用处可以忽略不计，而且最初的副本会很昂贵。 他们有限的移动选择和复杂的电力系统最终使这些设备无法使用。 在测试过程中，事实证明，Hardiman 只能举起 350 公斤，并且长时间使用会出现危险、不协调的动作。 从原型的进一步开发来看，只放弃了一个手臂——该设备重约 250 公斤，但与之前的外骨骼一样不实用。
70当中。 “由于尺寸、重量、不稳定性和动力问题，Hardiman 从未投入生产，但工业 Man-Mate 使用了 60 年代的一些技术。 该技术的权利被 GE 的一名工程师创立的 Western Space and Marine 买下。 该产品经过进一步开发，如今以大型机械臂的形式存在，可以使用力反馈举起重达 4500 公斤的物体，使其成为钢铁行业的理想选择。
3. 塞尔维亚 Mihailo Pupin 研究所制造的外骨骼。
1972 – 塞尔维亚 Mihailo Pupin 研究所由教授领导的小组开发了早期主动外骨骼和人形机器人。 米奥米尔·武科布拉托维奇。 首先，已经开发出腿部运动系统来支持截瘫患者的康复（3）。 在开发主动外骨骼时，该研究所还开发了分析和控制人类步态的方法。 其中一些进步为当今高性能人形机器人的发展做出了贡献。 1972 年，在贝尔格莱德的一家骨科诊所测试了一种用于下肢瘫痪的电子编程主动式气动外骨骼。
1985 “洛斯阿拉莫斯国家实验室的一名工程师正在建造一种名为 Pitman 的外骨骼，这是一种步兵动力装甲。 该设备的控制基于扫描头骨表面的传感器，传感器放置在一个特殊的头盔中。 鉴于当时的技术能力，它的设计过于复杂而无法制造。 限制主要是计算机的计算能力不足。 此外，处理大脑信号并将其转化为外骨骼运动在当时在技术上几乎是不可能的。
4. 外骨骼救生衣，由 Monty Reed 设计。
1986 — 美国陆军士兵蒙蒂·里德 (Monty Reed) 在跳伞时脊柱骨折，开发了一种救生服外骨骼 (4）。 他的灵感来自罗伯特·海因莱因的科幻小说《星河战队》中对机动步兵服的描述，这是他在医院休养时读到的。 然而，里德直到 2001 年才开始使用他的设备。 2005 年，他在华盛顿州西雅图举行的圣帕特里克节比赛中测试了原型 4,8 救援服。 开发商声称在机器人套装中创造了步行速度记录，以 4 公里/小时的平均速度行走 14 公里。 原型 Lifesuit 1,6 能够在充满电的情况下行驶 92 公里，并允许举起 XNUMX 公斤。
1990年至今 - HAL 外骨骼的第一个原型是由 Yoshiyuki Sankai 提出的（5），教授。 筑波大学。 Sankai 花了三年时间——从 1990 年到 1993 年——识别控制腿部运动的神经元。 他和他的团队又花了四年时间来制作设备原型。 在 22 世纪初开发的第三个 HAL 原型已连接到计算机。 电池本身重达近 5 公斤，这使得它非常不切实际。 相比之下，后来的型号 HAL-10 仅重 5 公斤，电池和控制计算机缠绕在用户的腰间。 HAL-XNUMX 目前是由日本公司 Cyberdyne Inc. 制造的四肢医用外骨骼（尽管也提供仅下肢版本）。 与筑波大学合作。
5. Yoshiyuki Sankai 教授展示了其中一种外骨骼模型。
在室内和室外工作大约 2 小时 40 分钟。 有助于举起重物。 控制装置和驱动器在机箱内的容器中的位置使得摆脱大多数外骨骼特有的“背包”成为可能，有时类似于大型昆虫。 患有高血压、骨质疏松症和任何心脏病的人在使用 HAL 之前应咨询医生，禁忌症包括但不限于起搏器和怀孕。 作为 HAL FIT 计划的一部分，制造商为病人和健康人提供了使用带有外骨骼的治疗课程的可能性。 HAL 的设计师声称，升级的下一阶段将专注于打造一套薄型西装，让用户可以自由移动甚至跑步。
2000 - 教授。 Homayoun Kazeruni 和他在 Ekso Bionics 的团队正在开发一种通用载人载具，即 HULC（6) 是带有液压驱动的无线外骨骼。 其目的是帮助交战中的士兵长期搬运重达90公斤的货物，最高时速可达16公里/小时。 该系统于 26 年 2009 月 XNUMX 日在 AUSA 冬季研讨会上向公众公布，当时与洛克希德马丁公司达成了许可协议。 该设计中使用的主要材料是钛，这是一种重量轻但相对昂贵的材料，具有很高的机械和强度特性。
外骨骼配备吸盘，可让您搬运重达 68 公斤的物体（起重装置）。 电源由四节锂聚合物电池供电，可确保设备在最佳负载下正常运行长达 20 小时。 外骨骼在各种战斗条件和各种负载下进行了测试。 在 2012 年秋天进行了一系列成功的实验后，他被派往阿富汗，在那里他在武装冲突中接受了测试。 尽管有很多积极的评价，该项目还是被搁置了。 事实证明，该设计使某些动作难以进行，实际上增加了肌肉的负荷，这与其创作的总体思路相矛盾。
2001 – 最初主要用于军队的伯克利下肢外骨骼 (BLEEX) 项目正在进行中。 在其框架内，以具有实际重要性的自主解决方案的形式取得了可喜的成果。 首先，创建了一个机器人设备，连接到下半身以赋予腿部额外的力量。 该设备由美国国防高级研究计划局 (DARPA) 资助，由加州大学伯克利分校机械工程系下属的伯克利机器人与人体工程实验室开发。 伯克利外骨骼系统使士兵能够以最小的努力携带大量有效载荷并穿越任何类型的地形，例如食物、救援设备、急救箱、通讯和武器。 除了军事应用，BLEEX 目前正在开发民用项目。 机器人与人类工程实验室目前正在研究以下解决方案：ExoHiker——一种主要为需要运输重型设备的探险队员设计的外骨骼，ExoClimber——用于攀登高山的人的设备，Medical Exoskeleton——一种为残疾人士设计的外骨骼身体能力。 下肢活动障碍。
8. 原型 Sarcos XOS 2 的实际应用
文本
2010 – XOS 2 出现 (8) 是 Sarcos XOS 外骨骼的延续。 首先，新设计变得更轻、更可靠，可让您在静态情况下举起重达 90 公斤的负载。 该设备类似于机器人。 该控制基于三十个像人工关节一样工作的致动器。 外骨骼包含几个传感器，这些传感器通过计算机将信号传输到执行器。 以这种方式，进行平稳和连续的操作，并且用户不会感到任何显着的努力。 XOS 重量为 68 公斤。
2011年至今 – 美国食品和药物管理局 (FDA) 批准 ReWalk 医用外骨骼 (9）。 它是一种利用力量元素来加强腿部力量的系统，可以让瘫痪的人站直、走路和爬楼梯。 能量由背包电池提供。 使用一个简单的手持遥控器进行控制，该遥控器可以检测并纠正用户的动作。 整个设备由以色列的 Amit Goffer 设计，并由 ReWalk Robotics Ltd（原 Argo Medical Technologies）以约 85 兹罗提的价格出售。 美元。
9 人穿着 ReWalk 外骨骼行走
在发布时，该设备有两个版本 - ReWalk I 和 ReWalk P。第一个版本由医疗机构在医疗专业人员的监督下用于研究或治疗目的。 ReWalk P 供患者在家中或公共场所个人使用。 2013年2.0月，发布了ReWalk Rehabilitation 1,6的更新版本。 这提高了对高个子的贴合度，并改进了控制软件。 ReWalk 要求用户使用拐杖。 心血管疾病和骨骼脆弱被列为禁忌症。 限制也是生长，在 1,9-100 m 内，体重可达 XNUMX kg。 这是唯一可以驾驶汽车的外骨骼。
10. Ex Bionics eLEGS
2012 Ekso Bionics，前身为 Berkeley Bionics，推出其医用外骨骼。 该项目于两年前以 eLEGS（10)，旨在用于不同程度瘫痪的人的康复。 像 ReWalk 一样，建筑需要使用拐杖。 电池可提供至少六小时使用的能量。 Exo套装成本约100万。 美元。 在波兰，众所周知的外骨骼 Ekso GT 项目是一种旨在与神经系统患者一起工作的医疗设备。 它的设计允许步行，包括中风、脊髓损伤后的人、多发性硬化症或格林-巴利综合征患者。 该设备可以根据患者的功能障碍程度以几种不同的模式运行。
2013 – Mindwalker 是一个意念控制的外骨骼项目，获得了欧盟的资助。 该设计是布鲁塞尔自由大学和意大利圣卢西亚基金会的科学家合作的结果。 研究人员测试了控制该设备的不同方式——他们认为脑-神经-计算机接口 (BNCI) 效果最好，它可以让你用意念来控制它。 信号在大脑和计算机之间传递，绕过脊髓。 Mindwalker 将 EMG 信号，即肌肉工作时出现在人体皮肤表面的小电位（称为肌电位）转换为电子运动指令。 外骨骼非常轻，不含电池仅重 30 公斤。 它可以支撑体重不超过 100 公斤的成人。
2016 – 瑞士苏黎世联邦理工学院举办了第一届使用辅助机器人的残疾人 Cybathlon 体育比赛。 其中一个项目是为下肢瘫痪的人举办的障碍赛跑外骨骼比赛。 在这个技能和技术演示中，外骨骼用户必须执行诸如坐在沙发上起床、在斜坡上行走、踩在岩石上（如穿越浅山河流）和爬楼梯等任务。 事实证明，没有人能掌握所有练习，最快的一组用了50多分钟才完成8米障碍赛。 下一次活动将在 2020 年举行，作为外骨骼技术发展的一个指标。
2019 – 在英国林普斯顿突击队训练中心的夏季演示中，Gravity Industries 的发明家兼首席执行官理查德布朗宁展示了他的 Daedalus Mark 1 外骨骼喷气式飞机服，这给军队留下了深刻的印象，而不仅仅是英国人。 六个小型喷气发动机 - 其中两个安装在后部，另外两个以附加对的形式安装在每只手臂上 - 允许您爬升到高达 600 米的高度。到目前为止，燃料只够 10 分钟航班 ...
