下一代外骨骼究竟是什么样的

沉默了很久,一直停更了关于外骨骼的技术向更新。近些日子我一直处于一种迷茫仿徨中。这可能既来自于外骨骼领域本身技术开发的停滞,也可能来自于我对于自身研究课题的不确定。

无作为与懒惰的背后有着深层低落感的影响,事实上我并没有一种打了鸡血似的的热情,来继续面对外骨骼这个令人着魔的装备。我现在看见明日边缘与使命召唤中的外骨骼,只剩下麻木。或者说,许久看不到概念上创新的外骨骼了,一种习惯感渐渐的占据了我对外骨骼的印象。

习惯感是可怕的,这意味着外骨骼这一领域已经很少有了大概念的更新。的确可以看到各路国内外外骨骼公司在不断优化更新产品,但是技术路线有些趋于一致了。对于商业来说是好事,代表着技术成熟。但是对于领域来说,我们需要有更深入的思考。

也即,下一代外骨骼是什么样子?

全刚性外骨骼是走不通的,哪怕不说上身,光下肢就有14个自由度,近些年来大家都在欠驱动化,踝的尽量搞成被动弹簧的,髋的内旋外旋、外展内收也尽量搞成自由的,仅仅驱动髋膝的两个矢状面自由度,外骨骼的本体重量就已经很大了。哪怕做到10kg以下,对人体的平衡影响也是要考量的。在这种背景下,下肢外骨骼也只能达到负重50kg左右的目标吧,这几乎是现有电机关节所能达到的较优水平。

只考虑功能性的话,这样也能行。但是,诸如近端驱动转动惯量大、关节运动不匹配等问题,这种方式当然可以电机全放置到背包,用长杆或绳驱传递到远端,设计复杂机械机构关节,来解决。

但是柔性外骨骼的出现,让这些方法变得没有意义了起来。外骨骼的概念延拓后,增强人体这一概念变得更重要起来。以前的外骨骼,都是穿在身上的协作机器人,而柔性外骨骼以后,就真的往人本身去发展了。

人体生物力学被重视起来。

合适时机下的助力成为了研究主流。分析人体运动力学,可以辅助感知算法去判断步态相位。进一步地,引入自适应方法,适应不同地形,适应不同人穿戴,可以更精准地助力。更甚至,建立用户步态数据库,往期的行走规律来优化近期的助力效果。最终得到的能耗降低效果比普通的刚性外骨骼随动控制好太多。

柔性外骨骼在这一阶段中发挥出了轻量化和远端驱动的优势,使得感知提升效果倍增。即使是刚性外骨骼用了这一套优化算法,也未必能发挥出同样的效果。

但柔性外骨骼似乎也解决不了一些问题,比如负重对人体本身的压迫。柔性外骨骼相当于外肌肉,失去骨骼后的设计理念,也和刚性外骨骼的理念大为不同,这也是远也科技的产品叫肌肉外甲的原因。人体运动靠的是肌肉与骨骼配合,肌肉出力,骨骼传力。

外骨骼这一个装备需要解决什么问题,又一次被提上议程来。

有人说,外骨骼是要帮人负重的,因此要有刚性骨架。不错。有人说,外骨骼是要帮人减轻运动疲劳的,所以要分析人体运动,检测时机以提供助力。不错。

当然,还有人说,外骨骼要帮助人康复的,或者让人重新恢复运动能力,也不错,但此处不谈。

刚性骨架轻不了,疲劳下不去。柔性衣物承不了力,负重上不去。

刚柔结合必然是趋势,问题是,怎么结合?业界陷入难题。

朴素的想法是,刚性骨架承力的同时,柔性驱动器提供助力即可。SEA、变刚度驱动即是如此。但是,简单的结合,却导致重量下不去。不行!

重量的大头在哪?电机。

电机快准,但狠不起来,除非做大。做大就会质量集中,质量集中就会要求远端驱动,又削弱了快与准,得不偿失。

液压几乎已经被外骨骼淘汰,除非重载。重载外骨骼不必太过于考虑轻便,而应更注重稳定与平衡,这不是人机高度耦合所需要考虑的问题。

气动或许是一条出路。

刚性骨架+气动执行器的路线早已做过,甚至是在最初的研究时光中被陆续实施,但是结果却不尽人意。原因呢?

没有电机准,加上气动系统,在质量上与电机也不相伯仲,控制还难。

兜兜转转,又回到了电机。

想法不能朴素,刚性骨架被拿来研究了起来。

研究纯机械的助力,代替掉柔性驱动器带来的那一点点的助力,可以么?

可以,分析步态相位,分析人体运动力学,设计棘轮、凸轮、非线性弹簧,匹配人体需要助力的时刻,只针对几个固定场景,例如走路、搬抬。

一套下来,论文分析飞起,实际效果呢?我不知道。但我清楚,这种做法不是最终的目的。

诚然,专业化的外骨骼装备走无源化是可以的,但是以后将会演变成诸如网线钳一类的机械工具,外骨骼座椅就是这一类产品的归宿,只是它成熟的较早些罢了。

那这些无源的研究有意义么?有!无源外骨骼的研究打开了外骨骼的另一道大门,那就是对刚性骨架本身优化的可能性。

柔性外骨骼其实干的是人体肌肉的活,注重对人体运动本身的分析,本身不排斥引入对人体神经信号的理解,对人体节律性运动的理解,所以柔性外骨骼可以有源,甚至最适合有源,也最适合引入各种测量手段。有测量就有反馈,因此感知算法搭上了智能控制的快车,近几年风生水起。

但再怎么柔性,也解决不了在刚性骨架上的问题。这只能最好从无源的角度来解决。无源外骨骼首先要做到的就是不干扰人体的一些运动,而专门对另一些运动敏感,敏感之后还要输出助力。

这些无源的研究,对人机运动匹配大有裨益。

现在谈到无源外骨骼,大多想到肩部支撑,下肢负重,和行走助力这些应用场景,但是大家有没有从无源外骨骼中的结构设计中获取一些经验呢?

比如,既然这样的结构能够省力,为何之前的有源不这样设计?既然有些自由度设计成欠驱动完全不影响我助力,那有源的是否也可以这样设计?既然在无源上都已经实现了对某个步态相位的感知,有源的感知中是否可以利用这一点?

当然实际中要做到这种经验融合是很难的,实际中的无源研究也更多的是从应用场景的需求入手,而不是助力原理。

我相信对无源外骨骼的研究有着更深厚的意义,而不仅仅是停留在功能的实现上。

回到刚柔结合上来。我们发现,刚性的外骨骼相当于机器人,柔性的外骨骼相当于肌肉衣服,两者的核心问题在于:怎么把所需要的功能传递给人体?

刚性外骨骼大可以完全随动,利用机器人本身的特性去负重,去操作,去运动。但是如前所述,这样做轻不了。

刚性外骨骼需要融合柔性的肌肉助力特色,因此必须与人体的运动耦合,也就是说,有时候人得带动外骨骼,有时候外骨骼得带动人。前者需要外骨骼的反向驱动能力,后者需要外骨骼与人传力的接口,这种接口就相当于柔性外骨骼的衣服本身,在刚性外骨骼里一般称之为“绑缚”。

很少有人关注绑缚,除了柔性外骨骼团队。要做一件合身的衣服本身就是一件难事,更何况这件衣服还要给你提供助力。

这在外骨骼诞生以前,还不是一个大问题。服装行业不会想到他们设计的衣服要抗拉扯,要给关节提供扭矩。能涉及到此类问题的,大多是研究安全带、运动护具、军用携行具的人、和医用康复辅具行业(康复师对肢体的定形,需要康复辅具对肢体施加力)。

但外骨骼诞生后,这也就是一个紧迫的问题了,也是一个专业的问题了——如何让绑缚做到轻、舒适、和正确地传力。

这是一个问题是因为,外骨骼相当于与人的软体组织进行交互,这天生就使得力传递变得不稳定和不舒适。从外骨骼关节发出的扭矩,传递到人腿上,最终到达人体关节,有多少扭矩是消耗在了绑缚的柔性、人体肌肉的变形上去了呢?

反过来,那些想用人机交互力作为感知手段的外骨骼,有多少人机交互力被浪费在了绑缚和人体软组织的柔性上去了呢?这样的交互力还能使用吗?因此催生出了大量新原理的感知手段,例如肌电、柔性应力应变传感器等。

当然,要是对交互力不敏感,只是把它当做一个助力模式切换的判断的话,上述人机交互力接口的问题也不复存在。譬如在利用肌电信号控制的外骨骼上,不会有这样的交互接口耦合的问题,这也是肌电感知被作为外骨骼发展厚望的原因之一。

柔性外骨骼在绑缚上面的研究比较清晰,因为它的本体就是一件功能性衣服。它需要在柔性的布料上去考虑力带来的衣物的变形问题,需要考虑绑缚的牢靠问题,需要考虑传力路径的问题。它可能不需要敏感的交互力,但是目前它的确用到了力信号来判断助力的时机。

总之,刚性外骨骼传递给人力的绑缚,目前还是要向柔性外骨骼的绑缚学习。但是两者的助力原理不一定相同,但是如何绑的牢,传力稳,这是互通的。

再回到刚柔结合的问题上来。前面说了,刚性外骨骼的人机力接口问题可以引入柔性外骨骼的绑缚解决方法。那柔性外骨骼的负重问题,能够引入刚性骨架来解决吗?

首先刚性骨架本身与人体就存在人机匹配问题,目前的做法一般是利用绑缚来缓解人机失配,学术一点的方法是用各种机构模拟人体关节运动轨迹。这还算可以解决。

那么刚性骨架的传力呢?如果把柔性外骨骼当做外肌肉看待,那么柔性外骨骼的绑缚就相当于外肌肉附着在人体外表面的附着点。而引入刚性骨架的目的是模拟人体骨骼的传力,将负重全部或部分传递到地面。

可以看到,刚性骨架若没有助力,在非站立姿态下,负重力是传递不到地面的,因此引入的刚性骨架必须得有无源的思路在里面。

如果将柔性外骨骼的肌肉部分提供给刚性骨架,可以去除刚性骨架的无源助力单元,但是这不就是成为了普通的刚性外骨骼了吗?因此,刚柔结合,必须保留柔性外骨骼的肌肉+柔性绑缚助力原理。

这样的思路就清晰多了。柔性外骨骼部分有自己的一套助力逻辑,用来给人体在合适时机提供额外的肌肉力量,从而减轻人体肌肉负担。刚性外骨骼部分则是提供一部分支撑,利用无源的原理,将负重导到地面。

因此,当负重直接背在人体上,柔性肌肉发挥完全作用,刚性骨架无作用。当负重直接安装在刚性骨架上,无源发挥支撑作用,肌肉也发挥作用。

由此可以看出,柔性外骨骼相当于肌肉增强,刚性无源外骨骼就是移动支架。肌肉增强可以降低能耗,而移动支架则是直接省力。后者对能耗的降低是间接影响的,因此无源外骨骼通常来说不一定有更好的能耗降低效果,因为在移动中重心的起伏、稳定平衡等动作也会耗能。而加入了柔性助力机制,这种额外的耗能可能会被解决掉,从而既省力又降能耗。

当然,这样简单的分析未免有点乌托邦,但是这种刚柔结合思路照这样分析是理得清楚的。

如果有可能,我想象外骨骼的最终形态会变成一件衣服。传力路径被集成在布料里,驱动源被远程包裹在腰部或者背部,气动或者拉绳、或者新原理,让助力通过特殊的布料结构产生在人体关节处,可能是纤维的拉扯产生的扭矩,或是结构的变形产生的扭矩。这件衣服不必全是柔性的,可以在无伤大雅的地方加入半刚性弹片,用来传递一些柔性布料无法传递的支撑力。或者是全部用柔性结构,通过张拉整体概念设计,让张拉力变成整个结构的支撑力,这样可以在衣服上直接挂在负重,让负重通过整体显刚性的布料传递到地面。

这样的衣服很难,即使我有了概念,现在也难以想象它结构上的样子,但这是我所想的外骨骼的终极形态。

当然,大多数人都是另一种思路——不必外骨骼足够贴身,但需要随时脱下。考虑到耐用性,当外骨骼因为续航、失效时,需要快速脱下,因此人机不用紧耦合,所以只需要像流浪地球那样。衣服上留个接口,随时穿脱外骨骼。但是,这种思路仍会遇到上面讨论的刚柔结合的问题,人机交互耦合的问题,本质上也只是将绑缚扩大成衣服而已,将绑缚的穿脱转移成了外骨骼接口的穿脱,而绑缚总是固定在身上。

未来的外骨骼,也许会演变成孤岛危机里的肌肉外甲一样,不强调负重而只需要增强。或者极端到重型动力装甲,强调负重与装载,而不求人体本身的增强。

但是未来不一定只有一种可能。也许人工肌肉的发展,会降维打击电机等传统驱动在下一代外骨骼上应用的前景。能源的发展,也可能会降为打击外骨骼本身的发展前景。

但我们所畅想的,又何必拘泥呢?

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