人體助力行走機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析

王 超，王玉林，宋慧新

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

人類一般用輪式交通工具運(yùn)載沉重物體，但傳統(tǒng)輪式車輛雖然能夠運(yùn)載較大重物卻難以適應(yīng)山地叢林等復(fù)雜路況;足式機(jī)器人具有較好的道路適應(yīng)性卻在環(huán)境感知和決策能力方面難以達(dá)到實(shí)際使用要求.人體助力行走機(jī)器人由于能夠有效地結(jié)合人的智能和機(jī)器人較大的運(yùn)載能力，成為了當(dāng)前各國(guó)研究的熱點(diǎn)［1］.

人體助力行走機(jī)器人是一種以人為主、機(jī)械為輔的人機(jī)一體化的可穿戴式機(jī)器人.通過(guò)穿戴在人體上的外骨骼式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，人體助力行走機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了對(duì)重物的支撐;通過(guò)電機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等動(dòng)力裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體各關(guān)節(jié)的助力運(yùn)動(dòng);通過(guò)姿態(tài)感知系統(tǒng)感知人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的跟隨和輔助.

19世紀(jì)30年代國(guó)外便出現(xiàn)了助力機(jī)器人的概念，從上世紀(jì)60年代末美國(guó)便啟動(dòng)了基于軍事目的的人體助力機(jī)器人研制工作，如 Hardiman［2］，但由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，導(dǎo)致Hardiman的體積和重量過(guò)大，無(wú)法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用.隨后盡管人體助力行走機(jī)器人經(jīng)歷過(guò)一段時(shí)間的沉寂，但到20世紀(jì)末，科技的發(fā)展和需求的凸顯使得人體助力行走機(jī)器人再次進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段，美國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)均針對(duì)人體助力行走機(jī)器人開(kāi)展了大量的研究工作.下面分別介紹一些人體助力行走機(jī)器人方面較為成熟的研究成果.

1 人體助力行走機(jī)器人研究現(xiàn)狀

1.1 美國(guó)的人體助力行走機(jī)器人研究

美軍很早就注意到了人體助力行走機(jī)器人的軍事用途.美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA)于2000年提出了“增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼(EHPA)”項(xiàng)目，目的是研制一種可穿戴式的，具有自適應(yīng)能力的外骨骼式人體助力行走機(jī)器人.此項(xiàng)目資助了多家研究機(jī)構(gòu)，當(dāng)前美國(guó)的幾種人體助力行走機(jī)器人均始于此計(jì)劃.

1.1.1 洛克希德-馬丁公司的人體助力行走機(jī)器人(HULC)

HULC是洛克希德.馬丁公司推出的一款采用液壓驅(qū)動(dòng)的人體助力行走機(jī)器人，如圖1(a)所示.該系統(tǒng)全重24 kg(含電池重量27.6 kg)，最大的負(fù)重量可以達(dá)到90.7 kg.HULC是模仿人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的可穿戴型助力行走機(jī)構(gòu)，不但能夠直立行進(jìn)，還可完成下蹲和匍匐前進(jìn)等動(dòng)作.穿上HULC后將能夠明顯降低對(duì)氧氣的消耗量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在使用者借助HULC背負(fù)36.7 kg重的物資以3.2 km/h的速度行進(jìn)時(shí)，其對(duì)氧氣的消耗量可比不穿該裝置時(shí)少大約15%［3］.HULC通過(guò)兩塊總重量為3.6 kg的鋰聚合物電池供電.在一次充滿電后，HULC可保證穿著者以4.8 km/h的速度背負(fù)90 kg重物持續(xù)行進(jìn)1 h.而穿著HULC的沖刺速度最高可達(dá)到16 km/h.

1.1.2 雷神公司的人體助力行走機(jī)器人(XOS)

雷神公司在收購(gòu)了參與EHPA項(xiàng)目的SARCOS公司后，也推出了其研制的第一代全身型人體助力行走機(jī)器人XOS.XOS能夠在背負(fù)68 kg且手持23 kg的負(fù)荷時(shí)以1.6 m/s的速度行進(jìn)，并可實(shí)現(xiàn)彎腰、下蹲和跪地等動(dòng)作.2010年第二代XOS機(jī)器人問(wèn)世，如圖1(b)所示.第二代XOS人體助力行走機(jī)器人的能耗較第一代降低了一半，而且較第一代具有更強(qiáng)的負(fù)重能力，系統(tǒng)的靈敏度和響應(yīng)速度進(jìn)一步提升.但其缺陷在于能量消耗依舊較大，至今仍依賴地面供電.

總之，美國(guó)對(duì)人體助力行走機(jī)器人各方面的研究最為全面深入，呈百花齊放的狀態(tài)，其研究水平位居世界前列.

1.2 日本的人體助力行走機(jī)器人研究

日本筑波大學(xué)于2004年推出了世界上第一款商業(yè)人體助力行走機(jī)器人 (HAL)，當(dāng)前已發(fā)展到第五代助力機(jī)器人HAL-5，如圖1(c)所示.HAL-5是一種全身型助力機(jī)器人，其特點(diǎn)在于通過(guò)遍布全身的肌電傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的采集，并通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各關(guān)節(jié)的助力［4］.HAL-5重約15 kg，其能源供給裝置小巧、使用時(shí)間長(zhǎng)，但是由于使用了肌電傳感器導(dǎo)致其穿戴復(fù)雜，且易受干擾，目前僅用于民用領(lǐng)域.除此之外，日本神奈川理工學(xué)院研制的采用氣壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力輔助服和本田公司采用非擬人設(shè)計(jì)的助力機(jī)械腿也已經(jīng)進(jìn)入樣機(jī)制造階段.

日本對(duì)人體助力行走機(jī)器人的研究主要從民事應(yīng)用入手，在機(jī)器人助殘、護(hù)理及勞動(dòng)的應(yīng)用領(lǐng)域展開(kāi)了廣泛的研究.但是由于高密度能量系統(tǒng)及機(jī)器人姿態(tài)感知系統(tǒng)的缺陷，仍不能大量推廣應(yīng)用.

圖1 國(guó)外代表性的人體助力行走機(jī)器人

1.3 國(guó)外其他國(guó)家的人體助力行走機(jī)器人研究

俄羅斯目前研制出了一款“戰(zhàn)士21”的單兵作戰(zhàn)服，其能夠讓士兵攜帶重物飛奔，且能夠在電力耗盡時(shí)迅速脫下;法國(guó)防務(wù)公司與法國(guó)武器裝備總署聯(lián)合研制了名為“大力神”的協(xié)同可穿戴式助力行走機(jī)構(gòu)，旨在使穿戴者能夠輕松攜帶100 kg重物，其電池可使穿戴者以4 km/h的速度行進(jìn)大約20 km.同時(shí)，韓國(guó)、意大利及新加坡等國(guó)家也有相關(guān)方面的研究，但由于均沒(méi)有進(jìn)行公開(kāi)演示，故相關(guān)資料較少.

1.4 國(guó)內(nèi)的人體助力行走機(jī)器人研究

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展人體助力行走機(jī)器人研究的主要有浙江大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、華東理工大學(xué)及中國(guó)北方車輛研究所等大學(xué)和研究所.浙江大學(xué)主要進(jìn)行人際耦合的層次式控制框架的研究，并設(shè)計(jì)完成了一種基于氣動(dòng)的助力行走機(jī)器人樣機(jī)［5-6］.中國(guó)科技大學(xué)在人體助力行走機(jī)器人的姿態(tài)感知及控制方法方面展開(kāi)了大量研究，在相關(guān)姿態(tài)傳感器方面獲得了不少成果［7］.華東理工大學(xué)也在做相關(guān)方面的研究，已完成了一套液壓驅(qū)動(dòng)的實(shí)物樣機(jī).中國(guó)北方車輛研究所在人體助力行走機(jī)器人的計(jì)算機(jī)虛擬建模及仿真方面做了深入研究，并在行走助力機(jī)器人用小型液壓缸設(shè)計(jì)等方面有所突破.此外還有很多機(jī)構(gòu)也展開(kāi)了相關(guān)研究，如:海軍航空工程學(xué)院對(duì)基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體助力行走機(jī)器人進(jìn)行了研究;北京工業(yè)大學(xué)在助力機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了一定研究.

總體來(lái)看，由于國(guó)內(nèi)在人體助力行走機(jī)器人研究方面起步較晚，大多處于理論研究階段.同時(shí)由于資金支持力度較小，所設(shè)計(jì)的實(shí)物樣機(jī)也均略顯粗糙.

2 關(guān)鍵技術(shù)

人體助力行走機(jī)器人從功能上看，可分為以下幾個(gè)子系統(tǒng):助力機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力輸出及執(zhí)行系統(tǒng)、姿態(tài)感知系統(tǒng)，控制系統(tǒng).根據(jù)美國(guó)和日本對(duì)人體助力行走機(jī)器人的研究成果，并結(jié)合在進(jìn)行人體助力行走機(jī)器人各系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，探討助力行走機(jī)器人各系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù).

2.1 人體助力行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人體助力行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響機(jī)器人后續(xù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如何對(duì)助力行走機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn).

由于人體助力行走機(jī)器人具有幫助人體承載的用途，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具有一定強(qiáng)度以便完成各種復(fù)雜工作.為保證機(jī)械機(jī)構(gòu)具有足夠強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)諸如大、小腿等關(guān)鍵受力部件進(jìn)行強(qiáng)化，同時(shí)使用Ansys等有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析［8］.由于助力行走機(jī)器人自身攜帶能源有限，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減輕機(jī)器人的重量同時(shí)要有較高的機(jī)械效率以減少能源消耗.在設(shè)計(jì)時(shí)借鑒現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的思想，并積極引入先進(jìn)材料，如碳纖維、鈦合金等材料，在保證機(jī)械強(qiáng)度的前提下減輕重量;保證各部件結(jié)合處有效的潤(rùn)滑，提高系統(tǒng)的機(jī)械效率，降低能耗.由于助力行走機(jī)器人是人機(jī)結(jié)合式機(jī)器人，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)貫徹“擬人化”的設(shè)計(jì)思路以保證機(jī)構(gòu)的安全性、舒適性和穿戴快速性.設(shè)置一些限位裝置限制機(jī)器人的極限運(yùn)動(dòng)范圍，保證其不大于人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍;在人機(jī)結(jié)合處適當(dāng)?shù)匾胍恍┸浶圆牧?，并積極采用仿生學(xué)設(shè)計(jì)，保證助力機(jī)器人的穿戴舒適性和快速性.由于助力行走機(jī)器人要完成仿人步態(tài)運(yùn)動(dòng)，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)科學(xué)地設(shè)計(jì)機(jī)器人的自由度以保證穿戴者能夠順利行走.各主要關(guān)節(jié)常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)形式的運(yùn)動(dòng)范圍如表1所示.

表1 人體及機(jī)器人各自由度運(yùn)動(dòng)范圍

2.2 人體助力行走機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)單元

目前日本的HAL助力行走機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，美國(guó)的HULC助力行走機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)方案，其兩者各有優(yōu)缺點(diǎn).電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的控制模式簡(jiǎn)單、直接，控制精度較高，后期使用費(fèi)用低;但能輸出較大扭矩的電機(jī)體積卻較大，不宜布置，影響系統(tǒng)的靈活性.液壓驅(qū)動(dòng)方案的技術(shù)成熟、易于實(shí)現(xiàn)、過(guò)程穩(wěn)定且易于控制;但是由于受其原理限制，制造及維護(hù)成本高，響應(yīng)速度及控制精度相對(duì)較低.同時(shí)一些諸如氣動(dòng)肌肉等的新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)也被應(yīng)用于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)單元.相對(duì)而言，液壓驅(qū)動(dòng)單元的性能較為符合助力行走機(jī)器人的需求.

如何提高人體助力行走機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元的性能是現(xiàn)階段的工作重點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)小型化高集成度的液壓系統(tǒng)，降低油液在較長(zhǎng)液壓管路中的損失，提高系統(tǒng)效率;通過(guò)選用響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)的高速電磁閥來(lái)提高液壓執(zhí)行器的響應(yīng)速度;通過(guò)研制微小型專用液壓油缸，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)的助力，提高系統(tǒng)性能;通過(guò)采用基于PMW控制的高速開(kāi)關(guān)閥來(lái)替代液壓伺服閥［9］，以降低系統(tǒng)成本.基于PWM高速開(kāi)關(guān)閥的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓原理圖如圖2所示.

圖2 助力行走機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)裝置原理圖

2.3 人體助力行走機(jī)器人的姿態(tài)感知系統(tǒng)

為了實(shí)時(shí)感知穿戴者及助力行走機(jī)器人的姿態(tài)信息，需要在外骨骼及人體上安裝多種類型的傳感器.日本的助力行走機(jī)器人HAL-5主要通過(guò)貼在操作者皮膚上的肌電傳感器采集穿戴者運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉產(chǎn)生的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制器處理后控制助力行走機(jī)器人跟隨人體運(yùn)動(dòng).但是采用肌電傳感器存在諸多缺點(diǎn):傳感器布置時(shí)間長(zhǎng)，易受外界干擾，肌電信號(hào)處理難度大.美國(guó)的助力行走機(jī)器人HULC則主要通過(guò)采集足部力信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)的感知.其足部安裝有若干壓力開(kāi)關(guān)及一個(gè)壓力油管和壓力傳感器，機(jī)器人通過(guò)采集壓力開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)量及壓力傳感器的值來(lái)預(yù)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，進(jìn)而控制液壓油缸的動(dòng)作.此種姿態(tài)感知方式準(zhǔn)確率高，穿戴方便，但對(duì)材料及控制的要求較高.

當(dāng)前助力機(jī)器人的姿態(tài)感知系統(tǒng)可分為3個(gè)分系統(tǒng):足底姿態(tài)感知系統(tǒng)，包括數(shù)個(gè)壓力傳感器及垂向加速度傳感器，用于感知人體足底壓力分布，測(cè)量足部加速度;下肢姿態(tài)感知系統(tǒng)，包括數(shù)個(gè)傾角傳感器、角速度傳感器及角加速度傳感器，用于感知大小腿的位姿;軀干姿態(tài)感知系統(tǒng)，包含加速度傳感器、角速度傳感器及雙軸傾角傳感器，用于感知人體及機(jī)器人軀干部姿態(tài).一種人體助力行走機(jī)器人的傳感器布置方案見(jiàn)圖3.

2.4 人體助力行走機(jī)器人的行走控制策略

人體助力行走機(jī)器人同其他機(jī)器人的最大區(qū)別在于穿戴者與機(jī)器人具有實(shí)際物理接觸，通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)人機(jī)耦合的一體化，形成人在回路中 (manin-the-loop)的系統(tǒng)［10］，見(jiàn)圖 4.

圖3 人體助力行走機(jī)器人傳感器布置圖

圖4 人體助力行走機(jī)器人控制系統(tǒng)框架

一般在人體助力行走機(jī)器人控制中，會(huì)借鑒自主式兩足機(jī)器人控制中的層次式控制法，通過(guò)將助力機(jī)器人的控制系統(tǒng)分解為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系的功能層，實(shí)現(xiàn)對(duì)助力行走機(jī)器人的控制.行走規(guī)劃層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的采集、分析和預(yù)測(cè).步態(tài)綜合層接受行走規(guī)劃層傳來(lái)的如步長(zhǎng)、步速等的步態(tài)參數(shù)后，經(jīng)過(guò)預(yù)定算法綜合分析后，生成控制各關(guān)節(jié)處助力機(jī)構(gòu)的指令.關(guān)節(jié)控制層就是在接受到步態(tài)綜合層的指令后，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)液壓缸、電機(jī)等裝置的控制，最終實(shí)現(xiàn)人體助力行走機(jī)器人的步態(tài)行走.在助力機(jī)器人行走時(shí)，傳感器測(cè)得的各種數(shù)據(jù)也及時(shí)反饋到各層相應(yīng)控制器中，以形成各層相對(duì)應(yīng)的閉環(huán)控制.總之，在人體助力行走機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需把握4個(gè)原則:降低行走干涉，降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，簡(jiǎn)化控制策略.

3 發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的進(jìn)步和機(jī)器人相關(guān)制造工藝的發(fā)展，人體助力行走機(jī)器人也將會(huì)變得越來(lái)越智能化、小型化.

1)具備較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力.

目前所使用的助力行走機(jī)器人的控制算法僅適合專人專機(jī)，難以根據(jù)不同人身體尺寸和行走習(xí)慣的差異作出自適應(yīng)的調(diào)整，因此限制了其人體助力行走機(jī)器人的大量生產(chǎn).所以發(fā)展具有較強(qiáng)學(xué)習(xí)能力的人體行走助力機(jī)器人成為了一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，只有具備了較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，助力行走機(jī)器人才能夠針對(duì)每個(gè)使用者學(xué)習(xí)出一套最適合該使用者的助力行走模式.

2)具備全身助力能力.

現(xiàn)階段的人體助力機(jī)器人普遍僅對(duì)人體下肢進(jìn)行助力，下一步應(yīng)該逐步發(fā)展全身型的助力機(jī)器人，以進(jìn)一步提高助力機(jī)器人的使用范圍.

3)具備高性能能源和驅(qū)動(dòng)方式.

當(dāng)前采用的鋰電池+電機(jī)驅(qū)動(dòng)/液壓驅(qū)動(dòng)的方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)助力行走，但是現(xiàn)有鋰電池的能量密度較低，導(dǎo)致系統(tǒng)持續(xù)工作時(shí)間較短，同時(shí)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的一些固有缺陷也限制了系統(tǒng)的靈活性.因此提高電池的能量密度，發(fā)展新型的驅(qū)動(dòng)方式是以后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì).

4 結(jié)束語(yǔ)

人體助力行走機(jī)器人技術(shù)是一項(xiàng)涉及到生物力學(xué)、人機(jī)耦合、自動(dòng)控制、機(jī)械設(shè)計(jì)、能源及傳感器等多個(gè)學(xué)科的綜合性技術(shù)，雖然近年來(lái)人們?cè)谠S多方面取得了一定進(jìn)展，但距離實(shí)用還有很長(zhǎng)的路要走.相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們認(rèn)識(shí)的深入，人體助力行走機(jī)器人將得到更深入而廣泛的研究.

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