机械骨骼行业分报告Word文档下载推荐.docx
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②世界上第一款商用机械骨骼:
HAL8
③仿人体结构外穿型机械骨骼:
HULC9
④仿生机械骨骼商用化:
eLEGS10
⑤机械骨骼变形之织物骨骼外衣:
SoftExosuit11
二、机械骨骼应用12
1、各国竞相研究,军事应用率先发力12
2、军用转民用,医疗应用市场空间巨大14
(1)唯一一款获得FDA批准的机械骨骼产品:
ReWalk15
(2)能站立的轮椅替代品:
REX17
3、工业应用目前还处于探索阶段17
三、机械骨骼技术透析18
1、重中之重:
传感器19
2、五大研究挑战方向:
人造肌肉纤维、控制系统、机械结构设计、能量源、促动20
(1)构造材料:
人造肌肉纤维研究20
(2)控制系统研究21
(3)机械结构设计研究21
(4)能量源22
(5)促动22
智能工具是指,以智能设备(手机或控制器)为基础,在普通工具上增加电子化配件之后,通过软件系统与智能芯片等软硬结合的方式与智能设备建立某种联系,使得工具有智能化的功能。
目前,智能工具最大的突破在于机械骨骼。
机械骨骼是通过人造方式而达到骨骼特性的辅助器械,是一种能够增强人体能力的可穿戴机器,别名人力放大器。
用途上,美国在机械骨骼上的发展是围绕军事用途展开的,日本公司则在努力以商业用途开发机械骨骼,特别是帮助残疾人和老年人进行日常生活和生活(散步、爬楼梯、负载等)。
1、军用方面:
在于军需物资搬运、强化士兵体能训练保证士兵长途行军之后的战斗力,将一个普通的战士武装成单兵作战能力超强的“超级步兵”。
2、医疗方面:
应用在神经康复领域的特定训练中,能够保证高效的康复训练,仅美国市场就高达500亿美金。
3、工业方面:
目前还处于探索阶段。
工业应用主要面向工程施工、紧急救助(疾病、事故、灾害、突发事件)、生产制造、搬运输送、危险工作(如核电站操作维护、航天空间站、深水作业)等。
传感器是机械骨骼中最重要的核心零部件。
通过传感器来收集使用者的活动信息,这些信息传递给信息处理器进行处理,然后启动相应的机械部件来输出能量。
主要分为输入和输出:
a.输入系统:
包括角辨向器、肌电传感器、地面传感器、肌肉压力传感器等等;
b.输出系统:
液压系统和气压系统比较常见的。
机械骨骼技术目前成果只是取得初步进展,尚未形成可以切实应用的大规模产业,未来研究的方向主要集中在五个方面:
1)人造肌肉纤维:
人造肌肉纤维可以利用电压变化使人造纤维收缩或伸张来产生力量,从而取代目前通用的液压驱动系统。
2)控制系统:
相较于基于网络技术的远程控制系统仅仅停留在简单的动作示教层面或者只能对机器人关节或者末端执行器进行单个或者少数几个自由度的孤立控制这一明显缺点,系统内控制是未来发展的必然趋势。
3)机械结构设计:
在满足行走需要的基本条件外,还必须考虑安全性、兼容性、舒适性。
4)能量源:
补给能量之前,机械骨骼具有的能量必须足以支持24小时亟需解决。
5)促动:
设计者必须使机器能够顺畅移动,以便穿用者不会太笨拙,与发动机一样,促动器也必须安静而高效。
一、机械骨骼发展概况
1、智能工具目前最大的突破在于机械骨骼
顾名思义,机械骨骼是通过人造方式而达到骨骼特性的辅助器械,是一种能够增强人体能力的可穿戴机器,别名人力放大器。
机械骨骼最初概念来源于生物学,是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构,比如昆虫身上能够起到帮助行动以及保护身体不受伤害作用的外壳。
机械骨骼通过能源装置、机械传动系统及控制测试系统,保证人体各种动作于机械之间的协调性,使人类的力量成惊人的倍数放大,拓展了运用于未来各种行业的前景。
它能够帮助人们跑得更快、跳得更高、能够携带更多更重的东西,并且帮助穿戴它的人在战场、建筑工地或者其它有危险的地方生存下来。
2、机械外骨骼的发展历程
机械骨骼最先进入人们视野是在科幻小说作家罗伯特•海因莱因1959年出版的著名科幻小说《星船伞兵》中,他提出了“动力装甲”这一科幻概念,其雏形就是机械骨骼。
最早开始研究这项技术的主要是美国和日本。
就用途来看,美国在机械骨骼上的发展是围绕军事用途展开的,日本公司则在努力以商业用途开发机械骨骼,特别是帮助残疾人和老年人进行日常生活和生活(散步、爬楼梯、负载等)。
(1)20世纪60年代
1960年,通用电气公司研制一种名为“哈迪曼1”的可佩戴单兵装备,采用液压电机驱动。
该公司第一个提出并开展增强人体机能的主动助力型机械骨骼机器研究。
其机械骨骼体积巨大且笨重,安全性能低,也只能取代单只手功能。
(2)20世纪70年代
1978年,麻省理工学院研究了“增强人体机能的机械骨骼”,负重问题有所改善,其驱动能源与便携式问题尚未解决,没有完整的成果。
(3)20世纪90年代
1991年,日本神纳川理工学院开发了一套独立的可穿助力外套,称为“动力辅助服”,该产品使用肌肉压力传感器,分析佩戴者的运动情况,通过微型气泵、便携式镍镉电池及嵌入式微处理器,提供足够的助力。
开发该产品是专为护士研制,可使人的力量增加0.5-1倍
(4)2000年DARPA计划
2000年开始,美国国防部研究计划署(DARPA)征求人体能力增强系统的建议书,并要求这些机械骨骼系统能够提高士兵的力量和速度,而且还能通过内置的计算机辅助士兵在国外领土行军。
由于当时该计划处于初期阶段,所以这些可穿戴机器的具体细节仍然非常模糊,不过DARPA已经为这些可穿戴机器确定了一些可以期待的要求,下面是研究人员期望机械骨骼在士兵身上实现的目标。
机械骨骼实现四大要求必须配备传感器和全球定位系统(GPS)接收器。
利用这一技术,士兵可以了解地形信息,从而找出行进到指定位置的最佳路线。
此外,DARPA还在开发与外骨骼配套使用的计算机化织物,用于监视士兵的心率和呼吸率。
XOS系列
2002年,SARCOS公司推出世界上第一件机械外骨骼衣(XOS)。
穿上“XOS”时,用负重9kg的力量举起90kg的重物,并且能连续举50-500次。
但“XOS”有一个重大缺陷,自带的电池只能使用40分,需要拖着一条电线随时充电。
“XOS”证明了机械骨骼能像人体一样自由地运动。
2010年,在雷神公司收购了SARCOS公司之后,推出升级版XOS2。
相比它的前一代,XOS2重量更轻、速度更快,耗电量降低了50%,采用高压液压驱动,分为作战型和后勤型两种型号,作战型只有腿部和腰部附件,后勤型增加了双臂助力。
借助于XOS2,穿戴者可轻松将200磅(约合90公斤)重的重物举起几百次同时不会感到疲劳,此外还可重复击穿3英寸(约合7.62厘米)厚的木板。
HAL
日本筑波大学Cybernics实验室的科学家和工程师们在2004年研制成功。
准确地说,这是一款自动化机器人腿。
这种装置能帮助残疾人以每小时4公里的速度行走,毫不费力地爬楼梯。
HAL由背囊、内装计算机和电池的一组感应控制设备、4个电传装置(对应分布在髋关节和
膝关节两侧)组成。
所有动力驱动、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备都装在背包中,电池挂在腰部,是一个可佩戴的混合控制系统。
这款自动化机器人腿配备较多的传感器,如角辨向器、肌电传感器、地面传感器等,全由使用者通过自动控制器来控制,同时能够根据生理反馈和前馈原理研制的动力辅助控制器可以调整人的姿态,使其感到舒适。
HAL已经投入商用,但仍在不断的改进中,如HAL-5系统是一个全身套装,目的是对肌肉萎缩或脑或脊髓功能损伤的人们在无人力援助的情况下进行协助。
HULC
2010年,防务巨头洛克希德〃马丁公司从美国陆军手中接过测试新一代“人类负重外骨骼”(HULC)系统的合同。
该系统是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼,内部配备有液压传动装置和可像关节一样弯曲的结构设计,不但能够直立行进,还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作。
HULC动力源为两块总重量3.6千克的锂聚合物电池。
在一次充满电后,HULC可保证穿着者以4.8公里/小时的速度背负90千克重物持续行进一个小时,其冲刺速度则可达到16公里/小时。
HULC系统可配备不同型号的装甲钢板、制冷/加热系统和传感器,其控制并不复杂,无需通过操纵杆或其他机械装置进行控制,便携式微型计算机可以让这种机械骨骼与士兵们的运动保持协调一致。
HULC的主要定位是战斗辅助系统,武装新型单兵力量。
在它的帮助下,士兵可以轻松举起大口径炮弹之类沉重的物品,在复杂地形下使用重型武器,从而极大地提高作战效率。
未来将会增加防护装甲和各种传感器,从而打造一种全新的、以城市和山野等复杂地形为主要战场的新型单兵装备。
eLEGS
2010年,伯克利仿生研究所以HULC模型为基础研制出的一种由电池提供动力的机械骨骼系统“eLEGS”。
这是世界上第一款不使用绳或链达到自然行走目标的设备。
它由一个机械框架组成,机械框架通过拐杖进行控制,拐杖中含有传感器,“阅读”使用者的手臂姿势,向前移动右拐杖,则左腿随之向前移动,反之亦然。
这款机械骨骼系统可以助截瘫患者摆脱轮椅,以自然步态行走。
同时,为满足瘫患者使用,“eLEGS”相对HULC使用起来更方便:
在“eLEGS”上,有一个粘扣带,一个背包式的夹子和肩部背带,任何人都可以在一、两分钟内迅速穿上或脱下。
“eLEGS”系统的电池能够保证使用者行走一整天,电量用完后需要换下来充电。
eLEGS系统需要使用者花一段时间去适应,所以,最初只能用在康复疗养中心,在经过培训的物理治疗师的指导下使用。
SoftExosuit
2014年底,美国DARPA(国防先进研究项目局)与哈佛大学合作,为美军士兵研发一款名叫SoftExosuit的外骨骼机器衣。
与以往钢铁结构的外骨骼机器衣不同,主要材料是纺织物。
骨骼外衣包裹在士兵的腰部和大
腿周围,此外还有大量的微处理器、传感器以及随身电源,都将植入到外骨骼机器衣中,同时机器衣配置了微型电动机,可以给士兵提供额外的力量和运动能力增强士兵的肌肉力量和灵活性。
二、机械骨骼应用
目前人类使用的机械外骨骼系统主要应用在两大方面:
军事和医疗,未来在工业领域也能发挥一定的作用。
1、各国竞相研究,军事应用率先发力
打造军事强国是机械骨骼发展的源动力,因此呈现出各国竞相研究的行业态势,可以预见军事应用将率先突破。
美国,俄罗斯、法国等国多年来潜心研制军事用骨骼系统,近年来其中较著名的有美国的“TALOS”项目、俄罗斯的“勇士-21”和法国的“大力神”。
机械骨骼军用价值在于军需物资搬运、强化士兵体能训练保证士兵长途行军之后的战斗力,将一个普通的战士武装成单兵作战能力超强的“超级步兵”。
此类机械骨骼自身具有能源供应装置,而且集成了大量的作战武器系统和现代化的通讯系统,传感系统以及生命维持系统。
在未来复杂的实际战场上,机械骨骼发展有两大趋势:
装备先进的GPS导航系统、夜视系统、复杂环境分析系统以及活体甄别功能,可以自动将受伤的战士及时地送回后勤救护区域进行救治。
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