可穿戴機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)

王偉 編譯

可穿戴機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)

王偉 編譯

本文以基于外骨骼的研究進(jìn)展和社會(huì)不斷增長(zhǎng)的需求為背景，闡述可穿戴機(jī)器人的研究現(xiàn)狀以及具有代表性的傳感器技術(shù)。同時(shí)，對(duì)使用特殊的基于跑步機(jī)平臺(tái)的康復(fù)療法和使用功能性電刺激療法來(lái)完成運(yùn)動(dòng)修復(fù)的情況進(jìn)行了回顧。最后討論了可穿戴機(jī)器人在智能空間中集成方面的問(wèn)題，并提出了一些重要的關(guān)鍵技術(shù)。

可穿戴機(jī)器人，下肢體骨骼，康復(fù)機(jī)器人

2000年，歐洲65歲以上老年人約有6000萬(wàn)（約占?xì)W洲總?cè)藬?shù)16.4%）。隨著壽命持續(xù)上升，出生率不斷降低以及人口老齡化不斷加快，預(yù)計(jì)到2050年，歐洲65歲以上人口將會(huì)增加到總?cè)丝诘?7%，這勢(shì)必將會(huì)對(duì)輔助機(jī)器人的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。然而，機(jī)器人已經(jīng)快速?gòu)膫鹘y(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到人機(jī)交互領(lǐng)域，機(jī)器人已經(jīng)變得更復(fù)雜、更智能。

穿戴機(jī)器人是一個(gè)基于人身體形狀和功能所設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化系統(tǒng)，結(jié)合了人外形上的一些部位和關(guān)節(jié)，可以被看作是一種補(bǔ)充、提高或者代替人類功能的技術(shù)。這款機(jī)器人的物理接口允許機(jī)械能的直接轉(zhuǎn)換和信息交換,它可以在一個(gè)智能環(huán)境中與人進(jìn)行親密的工作、互動(dòng)以及合作，已經(jīng)應(yīng)用在遙操作、人肌增強(qiáng)和康復(fù)方面，從而救助運(yùn)動(dòng)控制受損的人。

根據(jù)提供的服務(wù)不同，可穿戴機(jī)器人可分為上肢型、下肢型以及全身肢體型；依據(jù)服務(wù)功能的不同，可穿戴機(jī)器人可分為：

修復(fù)人的功能（矯正器）。矯正設(shè)備是一種用于穩(wěn)固人類肢體、修復(fù)或者加強(qiáng)那些活動(dòng)功能已經(jīng)失去或者比較脆弱的人的外形機(jī)械設(shè)備。這類可穿戴機(jī)器人可以改善使用者肌肉虛弱、關(guān)節(jié)僵硬的情況，一個(gè)成功的矯正器不僅能夠修復(fù)有缺陷的部位，實(shí)現(xiàn)同正常人一樣的功能，而且還使穿戴者感覺(jué)舒適。

增強(qiáng)人的能力。這類可穿戴機(jī)器人能夠讓穿戴者更有力量，增強(qiáng)其負(fù)載能力，可以提高穿戴者的速度、體能以及忍耐力等等，還可以與穿戴者實(shí)現(xiàn)一些交互功能。

替代人的功能（假肢）。假肢是一種人造裝置，被用來(lái)代替人體失去的部分，通常包括膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。通過(guò)穿戴者的意愿，由不同類型的傳感器提供電子和機(jī)械信息，使用者依靠電子機(jī)械傳動(dòng)器來(lái)控制假肢行為。

可穿戴機(jī)器人主要應(yīng)用在康復(fù)領(lǐng)域，下肢輔助機(jī)器人研發(fā)始于20世紀(jì)60年代末。由于近5年來(lái)機(jī)器人外骨骼技術(shù)的迅速發(fā)展，下肢體矯形器的發(fā)展已經(jīng)從復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)演變成一款小型商業(yè)產(chǎn)品，其中結(jié)合了可穿戴式傳感器的先進(jìn)技術(shù)。例如，近幾年來(lái)出現(xiàn)的微型生物傳感器，如智能紡織衣，它能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)心跳、測(cè)量體溫等來(lái)評(píng)估身體狀況。未來(lái)可穿戴機(jī)器人將利用健康管理系統(tǒng)來(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)人體健康，一方面，這些智能設(shè)備用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制；另一方面，它們依靠其他人員（管理員、醫(yī)生），通過(guò)高水平網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與外部環(huán)境保持聯(lián)系。

1 外骨骼機(jī)器人技術(shù)

不像假肢那樣只用最基本的設(shè)計(jì)代替人體的某些功能，外骨骼系統(tǒng)構(gòu)成可穿戴機(jī)器人的一部分，并且被視為覆蓋整個(gè)身體或者其中一部分的盔甲，旨在輔助以及改善已有的身體功能。外骨骼機(jī)器人被用在人體外部，以輔助肌肉、神經(jīng)系統(tǒng)或者骨骼系統(tǒng)的運(yùn)作。外骨骼機(jī)器人和人肢體間的認(rèn)知交互作用構(gòu)成信息交換，物理交互作用構(gòu)成能量交換。

1.1 下肢體外骨骼技術(shù)

病人步態(tài)恢復(fù)的兩個(gè)必要條件是：關(guān)節(jié)和控制的穩(wěn)定性，最直接的解決方法就是使用矯形器。上個(gè)世紀(jì)七八十年代，截癱患者開始使用矯形器，通過(guò)利用系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，病人能夠在一個(gè)被動(dòng)的外骨骼支撐下直立行走，但這種矯形器需要上肢的幫助才能實(shí)現(xiàn)。1969年，貝爾格萊德學(xué)院Miomir Vukobratovic教授研發(fā)了第一款可以行走的運(yùn)動(dòng)外骨骼設(shè)備，它包括啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)和部分編寫的運(yùn)動(dòng)學(xué)程序，可以產(chǎn)生擬人步態(tài)，該裝置由嚴(yán)重殘疾的人士進(jìn)行過(guò)多次測(cè)試。1974年一款新型電力驅(qū)動(dòng)的外骨骼機(jī)器人問(wèn)世，這是電機(jī)第一次作為外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件。當(dāng)前，世界上有許多致力于輔助人類下肢體的外骨骼研究工作組，主要成就如下：

日本東京御茶水女子大學(xué)研發(fā)了一種基于直流電機(jī)使用雙自由度（髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)）運(yùn)動(dòng)下肢體矯形器。該裝置已經(jīng)進(jìn)行了T12級(jí)的評(píng)估，主體受傷級(jí)別有T5、T8、T11和T12。穿戴者的運(yùn)動(dòng)利用運(yùn)動(dòng)標(biāo)識(shí)（基于攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)）進(jìn)行分析。該裝置的評(píng)測(cè)顯示，所有主體均能正常行走而不會(huì)倒下，并且膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)促進(jìn)器還能提高步伐速度和增加步伐長(zhǎng)度。

日本東京大學(xué)研發(fā)了用于人類下肢體的、有著雙關(guān)節(jié)肌肉功能的液壓伺服系統(tǒng)的矯形器。這一設(shè)備不僅確保了使用者步伐訓(xùn)練舒適度，而且也不影響其正常的走路方式。

美國(guó)德拉瓦大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究人員研發(fā)了一款靈活的外驅(qū)動(dòng)腿外骨骼的設(shè)備（ALEX）。這一設(shè)備被安裝在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處，用來(lái)輔助穿戴者行走。該設(shè)備已經(jīng)在健康人的部位測(cè)試過(guò)，成功地演示了在訓(xùn)練過(guò)程中通過(guò)選擇控制病人的正常步伐而進(jìn)行不同的行走。

英國(guó)索爾福德大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種10自由度可活動(dòng)下肢裝置。為讓下肢關(guān)節(jié)部位獲得更好的靈活性和重復(fù)使用性，該裝置選用氣動(dòng)人工肌肉提供動(dòng)力。

伯克利下肢末端外骨骼（簡(jiǎn)稱BLEEX）是由加利福利亞大學(xué)提出來(lái)的一項(xiàng)外骨骼技術(shù)。該設(shè)計(jì)旨在提高穿戴者力量和耐力方面的能力，而且可以允許穿戴者背部負(fù)重。BLEEX可以用于軍隊(duì)士兵、野地消防隊(duì)員、救災(zāi)人員等，或者處理其他一些緊急情況。

1.2 單關(guān)節(jié)矯形器

1.2.1 膝關(guān)節(jié)矯形器

膝關(guān)節(jié)主要負(fù)責(zé)對(duì)人在行走、站立、下蹲等彎曲伸展運(yùn)動(dòng)過(guò)程中股骨和脛骨間角度變化的控制。在膝關(guān)節(jié)附近設(shè)計(jì)一個(gè)矯正裝置尤其重要，這個(gè)關(guān)節(jié)一般用矢狀平面內(nèi)代表膝蓋運(yùn)動(dòng)的單自由度模型來(lái)表示，它是身體保持穩(wěn)定性和靈活、自然運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素。下面介紹一些膝關(guān)節(jié)矯形器的設(shè)計(jì)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制方面的研究進(jìn)展。

Yobotics公司由麻省理工實(shí)驗(yàn)室衍生發(fā)展而來(lái)，該公司已經(jīng)發(fā)明了一種稱為RoboKnee的可操縱下肢矯形裝置。RoboKnee設(shè)計(jì)用來(lái)幫助大腿肌肉群（股四頭肌和股后肌群）在人體站立、行走、攀爬等運(yùn)動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)的彎曲和伸展。

瑞士洛桑大學(xué)為膝關(guān)節(jié)彎曲伸展發(fā)明了一種自動(dòng)膝蓋矯形模型。刺激股四頭肌肌肉以運(yùn)動(dòng)學(xué)功能和動(dòng)力學(xué)參數(shù)閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩和角位移進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，膝蓋矯形器的運(yùn)動(dòng)依靠電機(jī)來(lái)保證實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)研究已經(jīng)被引入健康學(xué)科和下肢及全身癱瘓學(xué)科。

Fleischer和Hommel發(fā)明了一種動(dòng)力矯形器，當(dāng)人體進(jìn)行一般運(yùn)動(dòng)（站立、行走、攀爬等）時(shí)，在膝蓋關(guān)節(jié)彎曲和伸展過(guò)程中，用來(lái)輔助大腿肌肉運(yùn)動(dòng)，通過(guò)評(píng)估電信號(hào)，引導(dǎo)矯正裝置。

日本東北大學(xué)機(jī)器人技術(shù)和機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)明了一種膝蓋矯正裝置，該裝置帶有雙電流變流體制動(dòng)器，可以水平支撐膝蓋、實(shí)時(shí)測(cè)量膝關(guān)節(jié)扭矩以及抵擋人體膝蓋平均扭矩的25%。

為了降低對(duì)大腿肌肉的過(guò)度使用，密歇根大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種靈活的護(hù)具。這種護(hù)具在平行于膝蓋的部分添加了一根牽引彈簧，目的在于兼容外骨骼機(jī)器人，從而輔助人類實(shí)現(xiàn)奔跑運(yùn)動(dòng)。

1.2.2 踝足矯形器

踝足矯形器是一種單關(guān)節(jié)矯正裝置，用來(lái)輔助和支撐踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，它在人類行走過(guò)程中起著重要作用。在進(jìn)行足康復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它也被用來(lái)固定踝關(guān)節(jié)。第一個(gè)踝足矯形器出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，以下介紹世界上已經(jīng)出現(xiàn)的一些新穎的機(jī)械矯形裝置。種矯形器采用氣動(dòng)人造肌肉來(lái)支撐人在行走時(shí)的踝背屈和跖屈。

Sawicki和Ferris發(fā)明了一種輕巧型踝足矯形器，這

Norris等人已經(jīng)發(fā)明了一種關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)矯形器，通過(guò)氣動(dòng)人工肌肉在踝關(guān)節(jié)處提供額外運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)研究旨在探索如何用一種簡(jiǎn)單的控制算法來(lái)增強(qiáng)推力和改變運(yùn)動(dòng)與穩(wěn)態(tài)下新陳代謝的消耗。

Blaya和Herry已經(jīng)發(fā)明了一種解決足下垂問(wèn)題的阻抗可變踝足矯形器。該方案基于通過(guò)人的步行周期來(lái)控制矯形關(guān)節(jié)阻抗。他們已經(jīng)證實(shí)，相比配備沒(méi)有剛化或者不斷剛化的關(guān)節(jié)控制的踝足矯形器，變阻抗矯形裝置更具備臨床優(yōu)勢(shì)。

1.3 全外骨骼

全外骨骼主要關(guān)注擴(kuò)充和增強(qiáng)穿戴者的力量來(lái)提升其能力，面臨的挑戰(zhàn)是：與環(huán)境的最小交互、動(dòng)力的挑戰(zhàn)、便攜性、反饋控制方案等。

1.3.1 XOS

XOS外骨骼系統(tǒng)是Steve Jacobsen博士歷經(jīng)7年研發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，代表了機(jī)械外骨骼領(lǐng)域最尖端的技術(shù)， XOS項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)提供了1000萬(wàn)美元經(jīng)費(fèi)予以支持。XOS旨在讓穿戴者在負(fù)重的情況下，用最小的外力來(lái)提高速度、體能和忍耐力， XOS重約70kg，包含有30個(gè)自由度，一系列多軸力矩傳感器安裝在穿戴者腳、手和軀干部分與機(jī)器之間。穿戴者和外骨骼之間有相互力作用，使穿戴者能夠自如地控制外骨骼的運(yùn)動(dòng)。

1.3.2 HAL-5

日本筑波大學(xué)研制的HAL-5外骨骼機(jī)器人不像美國(guó)XOS那么粗獷，身上出現(xiàn)的夢(mèng)幻藍(lán)色光圈讓人穿起來(lái)更像超級(jí)英雄。HAL-5重約23kg，下體重約15kg，可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)康復(fù)和物理訓(xùn)練，也可以應(yīng)用于工廠輔助繁重的勞動(dòng)和災(zāi)難中輔助營(yíng)救等。HAL-5采用電動(dòng)馬達(dá)，依靠對(duì)運(yùn)動(dòng)傾向和運(yùn)動(dòng)結(jié)果的探測(cè)來(lái)進(jìn)行控制，還添加了生物電感應(yīng)器，用基于來(lái)自大腦到肌肉的神經(jīng)信號(hào)的偵測(cè)和處理來(lái)評(píng)估人的運(yùn)動(dòng)傾向，借以作出判斷并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

1.3.3 動(dòng)力輔助服

日本神奈川理工大學(xué)研發(fā)的動(dòng)力輔助服，可以用來(lái)幫助護(hù)士抱起病人。輔助服重約30kg，大概花十分鐘就可穿好，包括配備有袖帶式氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器和具備改善肌肉強(qiáng)度的含傳感器的肩膀、胳膊、腰和腿。氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、反應(yīng)靈敏。肌肉傳感器可以測(cè)出肌肉在驅(qū)動(dòng)肘、腕、腰和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)的外力大小。該動(dòng)力輔助服已經(jīng)應(yīng)用于人體工程，幫助使用者實(shí)現(xiàn)胳膊上下運(yùn)動(dòng)和負(fù)重運(yùn)動(dòng)。

1.3.4 可穿戴農(nóng)業(yè)機(jī)器人

東京農(nóng)業(yè)技術(shù)大學(xué)發(fā)明了一款可穿戴農(nóng)業(yè)機(jī)器人套裝，主要用在幫助一些年老的務(wù)農(nóng)人員。該套裝的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)依靠裝在肩、腕、腰和膝關(guān)節(jié)處的超聲波馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)。這些馬達(dá)能夠幫助穿戴者向上舉起約20kg的重物。通過(guò)聲控命令，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜不同層次的操作。該機(jī)器人未來(lái)將不斷小型化，由目前的26kg降低到約10kg。

1.3.5 肌肉機(jī)器人套裝

日本小林實(shí)驗(yàn)室（Kobalab）的Kobayashi博士發(fā)明了一款可穿戴肌肉機(jī)器人套裝，通過(guò)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，能使工人更加容易的舉起和搬運(yùn)重物，可以應(yīng)用在康復(fù)訓(xùn)練和幫助體力勞動(dòng)者。這款肌肉機(jī)器人套裝由人造肌肉組成，通過(guò)直接來(lái)自壓縮機(jī)的空氣壓力來(lái)控制肌肉的緊縮和伸展。該套裝僅重8kg，并且使用4自由度肩膀和三個(gè)正交軸旋轉(zhuǎn)，每根軸可以產(chǎn)生45N?m的力矩。

2 可穿戴機(jī)器人的傳感器技術(shù)

目前，可穿戴機(jī)器人相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，驅(qū)動(dòng)和能源方面存在很多挑戰(zhàn)，自然人機(jī)交互（機(jī)械驅(qū)動(dòng)）和認(rèn)知人機(jī)交互（反饋測(cè)量、控制）的安全性也被嚴(yán)格要求,這也影響了可穿戴機(jī)器人的最小化和便攜性。

傳感器在監(jiān)控、測(cè)試和下肢運(yùn)動(dòng)的控制方面起著重要的作用，他們主要包括運(yùn)動(dòng)學(xué)（角度位置、速度和加速度）、動(dòng)力學(xué)（肌肉活動(dòng)）、力以及力矩傳感器。

2.1 運(yùn)動(dòng)測(cè)量與運(yùn)動(dòng)跟蹤

穿戴者身體的運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量（位置、速度和加速度）和運(yùn)動(dòng)跟蹤可以用不同的傳感器實(shí)現(xiàn)，以下是用于跟蹤和記錄下肢運(yùn)動(dòng)的主要元器件。

電測(cè)角計(jì)是一種用于測(cè)量關(guān)節(jié)角位置工具。它基本包括一個(gè)電位計(jì)和兩個(gè)轉(zhuǎn)臂，關(guān)節(jié)的中心位置應(yīng)該與兩個(gè)互聯(lián)臂的電位計(jì)中心相匹配，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)在計(jì)算之后作為電位計(jì)變化的一個(gè)函數(shù)。電測(cè)角計(jì)的缺點(diǎn)是電位計(jì)刻度要求十分精確，由電測(cè)角計(jì)傳送的角度位置信息需要建立和測(cè)試不同的控制方案。

使用陀螺儀確定肢體運(yùn)動(dòng)的方向和角速度，還可以用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)的人體運(yùn)動(dòng)而不受重力的影響，并對(duì)角位移進(jìn)行單一集成。

基于視頻的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是使用固定在重要關(guān)節(jié)處的被動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)來(lái)記錄穿戴者的運(yùn)動(dòng)，這些重要的關(guān)節(jié)部位包括：肩、肘、臀、膝蓋和踝。運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)由給出的樣本采樣獲得。這種運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)主要使用在康復(fù)領(lǐng)域。

2.2 生物電活動(dòng)傳感器

當(dāng)處理可穿戴機(jī)器人應(yīng)用時(shí)，主要使用肌電圖記錄。肌電圖主要測(cè)量肌肉在收縮時(shí)的肌肉活動(dòng)，并通過(guò)表面電極進(jìn)行記錄。肌電圖可以被用來(lái)確定肌肉是否參與運(yùn)動(dòng)。例如，肌肉產(chǎn)生的力，通過(guò)對(duì)位于大腿部位肌肉（屈肌和伸?。┻\(yùn)動(dòng)測(cè)量的肌電圖信號(hào)確定，并構(gòu)成一個(gè)反饋系統(tǒng)的一部分。這些傳感器的主要缺點(diǎn)是它們對(duì)電極位置非常敏感，會(huì)引起錯(cuò)誤判斷。

2.3 力和壓力傳感器

力和壓力傳感器通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗反饋控制。力矩傳感器可以用來(lái)測(cè)量使用者的腿和外骨骼間相互作用，壓力傳感器用于大腿支撐處對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，這個(gè)壓力信號(hào)被認(rèn)為是與膝關(guān)節(jié)角度成正比的，他們也被用于測(cè)量鞋底面的反作用力。其他使用在外骨骼上的力和壓力傳感器用來(lái)確定受力、拉力、壓力和加速度。

3 可穿戴機(jī)器人康復(fù)輔助裝置和技術(shù)

這里主要介紹兩種有代表性的康復(fù)技術(shù)與裝置，一種是基于跑步機(jī)平臺(tái)的特殊電動(dòng)裝置，一種是用于運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的功能性電刺激療法的康復(fù)技術(shù)。

3.1 基于跑步機(jī)的裝置

在脊髓遭受損傷的截癱病人康復(fù)的方法中，特殊的康復(fù)治療機(jī)器人平臺(tái)（基于跑步機(jī)的裝置）是常見(jiàn)的使用療法。該裝置一邊部分支撐病人的重量，一邊產(chǎn)生對(duì)稱的和周期性的步態(tài)模式，其目的是提高病人的行走能力。測(cè)試表明，這種康復(fù)機(jī)器人平臺(tái)的使用對(duì)于病人有著潛在的益處。最初，通過(guò)兩個(gè)物理治療師負(fù)責(zé)訓(xùn)練病人操縱下肢運(yùn)動(dòng)，這種操控需要很大的力量，很難實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)椋菏紫刃枰齻€(gè)操作者（兩個(gè)物理治療師和一個(gè)監(jiān)督者），康復(fù)過(guò)程復(fù)雜麻煩；其次是安全性問(wèn)題：病人下肢不穩(wěn)定時(shí)會(huì)感到不安。如今，有一款機(jī)器人治療平臺(tái)已經(jīng)商業(yè)化（Lokomat-Hocoma），它的移動(dòng)方式較以前的產(chǎn)品更加精準(zhǔn)，且僅僅需要一個(gè)人來(lái)監(jiān)督操控。

3.2 功能性電刺激療法和控制

功能性電刺激療法被用于刺激損傷情況下的癱瘓肌肉，但需要面臨的一個(gè)問(wèn)題是：當(dāng)運(yùn)用功能性電刺激療法治療時(shí)，應(yīng)避免超刺激，盡可能延遲肌肉的疲勞。在起身、站立和行走等運(yùn)動(dòng)中，治療方法要確定選擇合適的刺激模式。

使用功能性電刺激療法的控制方案有兩種，即開環(huán)和閉環(huán)。開環(huán)控制相對(duì)簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于臨床，但沒(méi)有考慮在疲勞、負(fù)載變化的情形下肌肉表現(xiàn)的改變。開環(huán)控制下最佳刺激模式的綜合利用是非常重要的，它考慮了生理肌肉性能和與環(huán)境間的交互作用。另一方面，由于多個(gè)參數(shù)的不確定以及對(duì)肌肉收縮現(xiàn)象缺乏經(jīng)驗(yàn)，閉環(huán)控制方案很少應(yīng)用于臨床。

開環(huán)刺激系統(tǒng)可以關(guān)注一項(xiàng)由Rabishong教授牽頭的歐洲工程SUAW（站立和行走），其目的是通過(guò)刺激病變下的肌肉來(lái)修復(fù)截癱病人的站立狀態(tài)和走動(dòng)狀態(tài)，植入物依靠與植入電線相連的電極和接收極連接肌肉，采用射頻連接的方式，由能量和必要的數(shù)據(jù)生成刺激序列。1999年和2000年分別有兩位病人進(jìn)行了該項(xiàng)移植，他們中的一位在開環(huán)控制方案下已經(jīng)可以站立和走動(dòng)。

4 可穿戴機(jī)器人與智能空間

可穿戴機(jī)器人可以被看作是一種同其他分布在環(huán)境中的智能器件互操作的智能裝置，并且穿在身上可以為穿戴者提供輔助服務(wù)。處于不同環(huán)境下（如從椅子上站立起來(lái)、行走、握重物上/下樓梯、康復(fù)訓(xùn)練等），可穿戴機(jī)器人可以結(jié)合周圍環(huán)境提供的輔助，能夠進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)和援助。

可穿戴機(jī)器人提供情境感知輔助服務(wù)是智能環(huán)境領(lǐng)域所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。從控制的觀點(diǎn)看，可穿戴機(jī)器人的控制參數(shù)需要根據(jù)使用者的環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，環(huán)境中的信息服務(wù)形態(tài)涉及到穿戴者的情緒和精神狀態(tài)，由生物電信號(hào)獲得的肌肉活動(dòng)（EMG等）和其他的生理學(xué)參數(shù)（心率、血壓、體溫、呼吸等）。

可穿戴機(jī)器人與穿戴者之間交互面臨的最大挑戰(zhàn)是環(huán)境的建模和穿戴者意向的交流，如何確保穿戴者和智能空間之間交互的靈活性和可靠性？即使傳感技術(shù)已經(jīng)變得越來(lái)越普及和可靠，但是來(lái)自不同環(huán)境下感知數(shù)據(jù)的翻譯依然是一項(xiàng)復(fù)雜的難題。

網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用促進(jìn)了可穿戴機(jī)器人的發(fā)展，第一，機(jī)器人不同部位（驅(qū)動(dòng)器、傳感器、控制器等）之間相互聯(lián)系的控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的模塊化和分布式結(jié)構(gòu)，使用總線拓?fù)涞亩嗦酚芯€網(wǎng)絡(luò)等，讓可穿戴機(jī)器人系統(tǒng)安全響應(yīng)更快，如CAN和LIN技術(shù)。

第二，利用無(wú)線技術(shù)（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線人體局域網(wǎng)、無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等），由可穿戴機(jī)器人、環(huán)境和穿戴者之間建立網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制。韓國(guó)KAIST研發(fā)了智能可愛(ài)家（ISH），建立友好型家庭輔助環(huán)境，通過(guò)不斷檢查居住者的行為和健康狀況來(lái)考慮他們的生活特點(diǎn)，智能機(jī)器人可以靈活地提供最合適的和個(gè)性化的服務(wù)。

5 可穿戴機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn)

可穿戴機(jī)器人和驅(qū)動(dòng)型外骨骼不再是一種科幻，這個(gè)領(lǐng)域正吸引著越來(lái)越多的人，商業(yè)機(jī)器人外骨骼產(chǎn)品將有望在數(shù)年內(nèi)面世。

日常生活中殘疾人或者老年人能力的改善是設(shè)計(jì)外骨骼應(yīng)考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，外骨骼的改進(jìn)要與對(duì)生理現(xiàn)象更好地理解緊密聯(lián)系起來(lái)。

運(yùn)動(dòng)矯形器的發(fā)展面臨兩大主要挑戰(zhàn)：減少穿戴者新陳代謝能量消耗和外骨骼驅(qū)動(dòng)能量需求最小化。這些問(wèn)題的解決對(duì)外骨骼的改進(jìn)有重要意義，尤其是在低負(fù)載和高效率方面。

能量來(lái)源的開發(fā)問(wèn)題也是所有驅(qū)動(dòng)裝置普遍面對(duì)的問(wèn)題。這項(xiàng)因素既影響設(shè)備的便攜性，還影響到裝置的設(shè)計(jì)。這個(gè)難題已經(jīng)促使了很多研究者去尋找新的、創(chuàng)新的、基于動(dòng)力學(xué)和復(fù)雜的反饋控制等解決方案。

雖然下肢矯形器的發(fā)展已經(jīng)取得比較大的進(jìn)步，但是一系列挑戰(zhàn)性的問(wèn)題仍然需要得到解決。

安全性 。因?yàn)楹芏嘣囼?yàn)都是在室內(nèi)而且有操作者參與的情況下完成的，所以，到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)可行有效的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量使用者與輔助裝置間交互的安全性。在使用輔助裝置過(guò)程中，全程符合適用于殘疾人和老年人的標(biāo)準(zhǔn)化的安全規(guī)范是很重要的。為了滿足安全性和可靠性的嚴(yán)格要求，可穿戴機(jī)器人應(yīng)該整合冗余的機(jī)電系統(tǒng)裝置，附加的安全約束也應(yīng)該考慮，比如限制能量的輸出、操作的速度以及使用機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)等。此外，控制系統(tǒng)必須對(duì)所有的力和力矩進(jìn)行探測(cè)和控制。

可接受性和可用性。許多訓(xùn)練周期必須按照穿戴者的個(gè)體情況制定，這是因?yàn)槊總€(gè)人適應(yīng)裝置的能力都有所不同。就控制矯形裝置而言，機(jī)電系統(tǒng)界面應(yīng)該簡(jiǎn)單、直觀，裝置必須舒適、無(wú)聲和易接受。任何輔助技術(shù)設(shè)計(jì)必須考慮最終使用者的需求、愿望以及能力，最終使用者以及其他的輔助技術(shù)人員可以幫助研究者分析當(dāng)前的情況和未來(lái)的發(fā)展方式。

穿戴者和裝置間的交互。穿戴者在感覺(jué)安全和舒適的情況下，穿戴設(shè)備的適應(yīng)能力也會(huì)更好。為了維持穿戴者運(yùn)動(dòng)的自然性，矯形器裝置的控制應(yīng)該建立在生理信號(hào)的基礎(chǔ)上。但是，肌肉驅(qū)動(dòng)和機(jī)器人關(guān)節(jié)的力之間復(fù)雜的交互過(guò)程，為穿戴者學(xué)習(xí)這種非自然的交互增加了困難。

用于持續(xù)監(jiān)測(cè)和健康管理控制的高水平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與裝置間的交互作用。如前所述，目前智能空間中可穿戴機(jī)器人的使用仍然存在一些挑戰(zhàn)，例如：如何將機(jī)器人單元集成進(jìn)入到智能空間網(wǎng)絡(luò)中，使得網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測(cè)和持續(xù)輔助穿戴者適應(yīng)日常生活的不同環(huán)境？如何依靠整合如傾向、情感、精神狀態(tài)、肌肉活動(dòng)、生理信號(hào)、位置、活動(dòng)類型等來(lái)模擬以及開發(fā)穿戴者的環(huán)境？

能量存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)于可穿戴設(shè)備的便攜性來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。由于需要相對(duì)高的效能和效率，電池、燃料單元和混合動(dòng)力是目前可穿戴機(jī)器人最普遍使用的能量源，其他類型的驅(qū)動(dòng)也有使用，比如超聲波馬達(dá)或者氣動(dòng)人工肌肉。

（本文譯自2012年《先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)》）