幾年前，來(lái)自韓國(guó)的金承煥（Kim Seung-hwan）因?yàn)榻煌ㄊ鹿蕦?dǎo)致下肢癱瘓，還沒(méi)有成家的他發(fā)誓“一定要重新走路”。
如今，他不僅成家生子，并且還身穿一款名為 WalkON Suit F1 的外骨骼輔助機(jī)器人在 2024 年 Cybathlon 上獲得一枚金牌。
Cybathlon，也被稱為“半機(jī)械人仿生奧運(yùn)會(huì)”，其由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院創(chuàng)辦，是一個(gè)針對(duì)殘障人士與科技輔助設(shè)備結(jié)合的國(guó)際性賽事。
圖｜金承煥在 Cybathlon 比賽現(xiàn)場(chǎng)（來(lái)源：REUTERS/Sebin Choi）
（來(lái)源：https://robotics.kaist.ac.kr/bbs/board.phpbo_table=sub5_2&wr_id=65、REUTERS/Sebin Choi）
圖｜獲獎(jiǎng)結(jié)果（來(lái)源：https://cybathlon.com/en/events/results?event=5267&discipline=50）
金承煥所穿戴的 WalkON Suit F1，由韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院外骨骼實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)打造，金承煥則是該實(shí)驗(yàn)室的一名受試者。在本次 Cybathlon 上，WalkON Suit F1 讓他能以 3.2 公里/小時(shí)的速度行走、爬樓梯以及側(cè)身滑入長(zhǎng)凳。
圖｜金承煥在 Cybathlon 比賽現(xiàn)場(chǎng)（來(lái)源：REUTERS/Sebin Choi）
WalkON Suit F1 的動(dòng)力外骨骼由鋁和鈦組成，重量為 50 公斤，其由 12 個(gè)電子電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠模擬人類行走時(shí)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。
在硬件上，其主要包含執(zhí)行器、機(jī)械框架、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源電路；在軟件上，其主要使用了一款軌跡生成算法。
圖｜金承煥在 Cybathlon 比賽現(xiàn)場(chǎng)（來(lái)源：REUTERS/Sebin Choi）
WalkONSuit F1 能夠“裹住”人體胸部，當(dāng)使用者坐在輪椅上，它會(huì)將自己自動(dòng)地“戴”到使用者身上。這讓使用者在不使用拐杖的情況下，也能在行走時(shí)保持平衡和改變方向。
為了確保使用者在行走時(shí)保持平衡，WalkONSuit F1 的足部和上身均配有傳感器，這些傳感器每秒能夠監(jiān)測(cè) 1000 個(gè)信號(hào)，并能預(yù)測(cè)使用者接下來(lái)的動(dòng)作。
WalkONSuit F1 前部的鏡片就像“眼睛”一樣，不僅可以分析周圍的環(huán)境，還能識(shí)別樓梯的高度，更能檢測(cè)障礙物的存在，從而可以彌補(bǔ)殘障使用者在感官能力上不足。
當(dāng)然，除了協(xié)助人類使用者行走之外，WalkONSuit F1 還擁有“人形模式”，即它也會(huì)自我行走。即便使用者坐在輪椅上，WalkON Suit F1 也能靠近使用者并幫助其站起來(lái)。
背后團(tuán)隊(duì)研究機(jī)器人已有 22 年
WalkON Suit F1 背后的韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院外骨骼實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)，由孔慶春（Kyoungchul Kong）教授領(lǐng)導(dǎo)，旨在創(chuàng)造能夠無(wú)縫融入殘疾人日常生活的機(jī)器人。
圖｜坐輪椅者為金承煥（來(lái)源：https://cybathlon.com/en/teams/kaist）
這種機(jī)器人并非簡(jiǎn)單的零件堆砌。對(duì)于損失部分行走能力的殘疾人來(lái)說(shuō)，要想為他們?cè)O(shè)計(jì)輔助機(jī)器人，必須滿足一些獨(dú)特要求，例如要設(shè)法讓機(jī)械阻抗達(dá)到最小，要設(shè)法實(shí)現(xiàn)較高的反向驅(qū)動(dòng)能力，也要設(shè)法實(shí)現(xiàn)較高的功率密度。
圖｜金承煥參與日常實(shí)驗(yàn)（來(lái)源：https://robotics.kaist.ac.kr/bbs/board.php?bo_table=sub5_2&wr_id=65）
圖｜金承煥參與日常實(shí)驗(yàn)（來(lái)源：https://robotics.kaist.ac.kr/bbs/board.php?bo_table=sub5_2&wr_id=65）
對(duì)于機(jī)器人所使用的機(jī)械部件來(lái)說(shuō)，它必須符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，以便用戶在長(zhǎng)時(shí)間佩戴時(shí)也不會(huì)感到不適。
對(duì)于不完全截癱的患者來(lái)說(shuō)：相比正常人，他們的運(yùn)動(dòng)控制功能較差，因此更容易受到外力、傾斜等因素的影響；相比完全截癱患者，他們?nèi)匀惶幱诨顒?dòng)狀態(tài)，因此要盡可能降低機(jī)器人對(duì)于這類患者的阻力。
為了讓不完全截癱患者實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)以及盡量減少不適感，孔慶春帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了包含 WalkON Suit F1 在內(nèi)的機(jī)器人。
谷歌學(xué)術(shù)顯示，孔慶春針對(duì)這一領(lǐng)域的研究至少可以追溯到 2002 年，并曾在相關(guān)期刊和會(huì)議上發(fā)表過(guò)多篇論文。
圖｜孔慶春的團(tuán)隊(duì)成員（來(lái)源：https://robotics.kaist.ac.kr/）
已在首爾成立公司，產(chǎn)品曾亮相于平昌奧運(yùn)會(huì)
2019 年，在國(guó)際可穿戴機(jī)器人聯(lián)盟（WearableRobotics Association）舉辦的“可穿戴機(jī)器人大會(huì)（WearARcon）”上，孔慶春和團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇論文，從這篇論文中可以一窺 WalkON Suit F1 的背后技術(shù)（在當(dāng)時(shí)這篇論文中，孔慶春將該團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人稱為 Angel-suit，而在孔慶春創(chuàng)辦公司之后則用現(xiàn)名 WalkON Suit 來(lái)稱呼）。
圖｜相關(guān)論文（來(lái)源：2019 Wearable Robotics Association Conference（WearRAcon））
從論文來(lái)看，該團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)（SEA，series elastic actuation）系統(tǒng)開發(fā)而來(lái)，這種系統(tǒng)能讓機(jī)器人以幾乎為零的機(jī)械阻抗來(lái)提供精確的輔助（即“透明輔助”）。在機(jī)器人連接關(guān)節(jié)的部位有一個(gè)電機(jī)，其功率十分強(qiáng)大足以移動(dòng) 200 公斤的物體。
這也意味著一旦機(jī)器人出現(xiàn)故障，可能就會(huì)損傷使用者的關(guān)節(jié)和肌肉，因此孔慶春團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)機(jī)器人的每一個(gè)動(dòng)作時(shí)，都進(jìn)行了極其精確的計(jì)算。
畢竟這不僅僅是一個(gè)單純的機(jī)器人，而且是一個(gè)要被真人佩戴的機(jī)器人。與此同時(shí)，他們還給機(jī)器人配備一系列的彈性驅(qū)動(dòng)模塊，以便精確地產(chǎn)生輔助扭矩。
為了精確控制傳遞到人體關(guān)節(jié)的輔助扭矩，該團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人使用了結(jié)構(gòu)彈簧，借此能夠?qū)崿F(xiàn)串聯(lián)彈性致動(dòng)。彈簧起著能量緩沖器和扭矩傳感器的作用，通過(guò)測(cè)量彈簧撓度可以測(cè)量輔助扭矩。
而通過(guò)控制彈簧偏轉(zhuǎn)則能實(shí)現(xiàn)精確的扭矩控制。此外，彈簧有助于提高致動(dòng)模塊的安全性。
機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，由四個(gè)關(guān)節(jié)模塊輔助。髖關(guān)節(jié)的內(nèi)/外旋轉(zhuǎn)可以通過(guò)骨盆桿的鉸鏈實(shí)現(xiàn)。其他機(jī)械框架則是剛性的，以便讓使用者在對(duì)于身體要求高的運(yùn)動(dòng)中免受動(dòng)態(tài)沖擊。
另外，該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)利用 3D 打印技術(shù)，來(lái)盡可能地減輕機(jī)器人的整體重量。為了減輕電線和信號(hào)線的重量，其又使用 I2C（Inter-Integrated Circuit）協(xié)議建立了本地通信網(wǎng)絡(luò)。憑借較多的自由度（DOF，degrees of freedom），讓使用者能夠盡可能地實(shí)現(xiàn)自然運(yùn)動(dòng)。
（來(lái)源：https://robotics.kaist.ac.kr/bbs/board.php?bo_table=sub5_2&wr_id=65）
同樣在上述論文中該團(tuán)隊(duì)表示，全球大約五分之一的人口患有嚴(yán)重或輕微的肌肉無(wú)力。由于各種疾病的影響，全球大約 1% 的人口必須接受身體援助。
這些目標(biāo)群體包括神經(jīng)肌肉疾病患者、中風(fēng)或脊髓損傷后的康復(fù)患者，甚至是肌肉無(wú)力的老年患者（即老年人）。
由于肌肉力量減弱，這些人步態(tài)穩(wěn)定性差，幾乎無(wú)法移動(dòng)。他們肌肉力量差，因此在日常生活中變得十分被動(dòng)，進(jìn)而會(huì)陷入沮喪狀態(tài)。
雖然他們可以接受適當(dāng)?shù)纳鐣?huì)援助，但是接受身體援助意味著給其他人帶來(lái)負(fù)擔(dān)，這讓他們往往不愿意邁出這一步。
不過(guò)，對(duì)于大多數(shù)部分行走能力受損的人，他們依然樂(lè)意保持積極的社交，因此他們對(duì)于正常行動(dòng)的渴望無(wú)疑十分強(qiáng)烈。而該團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人則能提供這種幫助。
2014 年，孔慶春基于團(tuán)隊(duì)成果在韓國(guó)首爾成立一家名為 Angel Robotics 的公司，并由他本人擔(dān)任 CEO。
2016 年，該公司推出兩種產(chǎn)品：一種是面向癱瘓人群的 WalkON Suit（即金承煥在 Cybathlon 比賽中所佩戴的那款），另一種是為存在部分行走障礙人群設(shè)計(jì)的低檔輔助機(jī)器人。
在 2018 年平昌奧運(yùn)會(huì)/殘奧會(huì)上，亦有一名癱瘓運(yùn)動(dòng)員穿戴 WalkON Suit 進(jìn)行火炬遞送。
圖｜孔慶春（Kyoungchul Kong）教授（來(lái)源：https://robotics.kaist.ac.kr/）
最近，Angel Robotics 還開發(fā)了兒童開發(fā)可穿戴機(jī)器人。對(duì)兒童機(jī)器人來(lái)說(shuō)，快速設(shè)計(jì)和制造支架部件的重要性變得更加重要，因?yàn)殡S著兒童的成長(zhǎng)，必須經(jīng)常更換支架部件。
總的來(lái)說(shuō)，Angel Robotics 的產(chǎn)品目前主要面向康復(fù)治療、日常協(xié)助、工業(yè)安保、機(jī)器人零件供應(yīng)等四個(gè)場(chǎng)景。
圖｜Angel Robotics 產(chǎn)品目前的主要應(yīng)用場(chǎng)景（來(lái)源：https://angel-robotics.com/en/?ckattempt=1）
值得注意的是，2024 年孔慶春團(tuán)隊(duì)又發(fā)表十多篇關(guān)于外骨骼機(jī)器人的論文，相信這些成果也會(huì)逐漸落地到 Angel Robotics 公司的產(chǎn)品之中。
參考資料：
https://www.reuters.com/technology/south-korean-team-develops-iron-man-robot-that-helps-paraplegics-walk-2024-12-23/
https://www.thedailystar.net/tech-startup/news/inspired-iron-man-these-researchers-developed-robot-aid-paralysis-patients-3783701
https://cybathlon.com/en/teams/kaist
https://robotics.kaist.ac.kr/
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8719629
https://angel-robotics.com/en/?ckattempt=1
https://www.solidworks.com/story/angel-robotics
https://scholar.google.co.kr/citations?hl=ko&user=Nd47tEQAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
