外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

邢 凱，趙新華，陳 煒，侍才洪，郭 月，張西正

外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

邢 凱，趙新華，陳 煒，侍才洪，郭 月，張西正

闡述了外骨骼機(jī)器人的研究意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了幾款具有代表性的外骨骼機(jī)器人,并對(duì)其基本性能參數(shù)進(jìn)行了分析。詳述了當(dāng)前外骨骼機(jī)器人在設(shè)計(jì)研制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括外骨骼機(jī)器人的上肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感系統(tǒng)及人機(jī)智能控制系統(tǒng)，并列舉出對(duì)應(yīng)的典型代表。最后，對(duì)外骨骼機(jī)器人的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

外骨骼；機(jī)器人；人機(jī)結(jié)合

0 引言

近20 a來(lái)，外骨骼機(jī)器人作為一款輔助人體康復(fù)的裝備得到了廣泛的應(yīng)用。民用領(lǐng)域方面，外骨骼機(jī)器人可以幫助老年人正常行動(dòng)；醫(yī)療領(lǐng)域方面，外骨骼機(jī)器人在輔助殘疾人正常生活的同時(shí)，也大大減輕了醫(yī)務(wù)人員的工作壓力；軍事領(lǐng)域方面，外骨骼機(jī)器人可以提高戰(zhàn)場(chǎng)的救援效率，幫助更多的受傷人員。由于外骨骼機(jī)器人在各領(lǐng)域發(fā)揮的巨大作用，使得其發(fā)展前景十分廣闊[1]。

1 外骨骼機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，大多數(shù)國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)對(duì)外骨骼機(jī)器人的研究都處于基礎(chǔ)起步階段，比較領(lǐng)先的國(guó)家主要是美國(guó)和日本。法國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)等也在外骨骼機(jī)器人技術(shù)上有所建樹。而我國(guó)對(duì)外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域的探索比較晚，但隨著外骨骼機(jī)器人在社會(huì)上的需求量不斷增大，我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、863和科技支撐計(jì)劃等也逐漸開展了相應(yīng)的研究[2]。

1.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，美國(guó)通用電氣公司首次提出并開展了關(guān)于增強(qiáng)人體機(jī)能的增力型外骨骼機(jī)器人的探索。經(jīng)過(guò)不懈努力，終于研制出最早的可佩帶的單兵裝備—哈迪曼（Hardiman）（如圖1所示）。這個(gè)項(xiàng)目的研究初衷是為了緩解士兵因執(zhí)行負(fù)重遠(yuǎn)距離任務(wù)而產(chǎn)生的疲勞，但是由于是外骨骼機(jī)器人的探索初期，它的體積巨大且笨重，安全性不高，未能取得理想的結(jié)果[3]。

圖1 Hardiman外骨骼機(jī)器人

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)室于2004年研發(fā)出一種下肢外骨骼機(jī)器人（Berkeley lower extremity exoskeleton，BLEEX），如圖2所示。它包括1個(gè)背包式的外架、2條機(jī)械腿及相關(guān)的液壓驅(qū)動(dòng)裝置。其中機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)采用類人化設(shè)計(jì)，包括了髖部、大腿、膝部、小腿、腳踝等，這樣使得外骨骼機(jī)器人與穿戴者能夠精確地連接在一起，使穿戴者行動(dòng)更加舒適。BLEEX外骨骼機(jī)器人的每條機(jī)械腿都設(shè)計(jì)為7個(gè)自由度，其中機(jī)械髖關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度，機(jī)械膝關(guān)節(jié)有1個(gè)自由度，機(jī)械腳踝處有3個(gè)自由度，被驅(qū)動(dòng)的自由度只有4個(gè)。BLEEX外骨骼的整體質(zhì)量約為45 kg，穿戴者身著此裝備，即使在負(fù)重35 kg的情況下，仍然可以活動(dòng)自如[4]。

洛克希德·馬丁公司聯(lián)合加州大學(xué)伯克利分校共同推出了一款軍用下肢外骨骼機(jī)器人，并命名為HULC（human universal load carrier），如圖3所示。HULC的質(zhì)量約為32 kg，主要是由電池、驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊等構(gòu)成。它不僅在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上更加合理高效，而且在機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也更加符合人體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，滿足了士兵對(duì)靈活機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定支撐性的需求[3]。

圖2 BLEEX外骨骼機(jī)器人

圖3HULC外骨骼機(jī)器人

2013年6月，美國(guó)哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)出一款機(jī)械外骨骼，并命名為機(jī)器護(hù)甲（Exosuit），如圖4所示。它采用的柔性化設(shè)計(jì)，不僅能夠使穿戴者的下肢擺脫剛性材料的束縛，能夠更加自然地彎曲，而且能讓穿戴者承受更重的載荷。該機(jī)械外骨骼裝備是一款管型材料護(hù)甲，總質(zhì)量?jī)H有7.5 kg，比一般的外骨骼機(jī)器人都要輕，這可能使其成為迄今為止穿戴最舒服的外骨骼機(jī)器人。

2011年，法國(guó)某防務(wù)公司與法國(guó)武器裝備總署公布了其聯(lián)合研制的可穿戴式外骨骼，并命名為“大力神”（HERCULE）（如圖5所示）。該機(jī)械外骨骼不僅可以應(yīng)用于增強(qiáng)普通人體的負(fù)重能力，而且可以增強(qiáng)士兵的作戰(zhàn)持久力。它的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是2條機(jī)械腿和背部水平支架，緩解了士兵執(zhí)行負(fù)重遠(yuǎn)距離任務(wù)所帶來(lái)的傷害和疲勞。該外骨骼不僅適合軍事應(yīng)用，也適合民用及醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域[5-6]。

圖4 機(jī)器護(hù)甲

圖5 “大力神”外骨骼機(jī)器人

2009年10月，俄羅斯宣布斥資3 500萬(wàn)美元研制外骨骼機(jī)器人，命名為勇士-21（如圖6所示）。它主要是由背包式外架、2條金屬腿等構(gòu)成。該外骨骼的研制目標(biāo)主要是為了軍事應(yīng)用?！坝率?21”外骨骼機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)在于它的金屬材料部件全部采用納米技術(shù)，比其第一代外骨骼裝備在質(zhì)量上減輕了14 kg。這不僅提高了士兵的機(jī)動(dòng)性和靈活性，更是減少了電池的消耗，從而延長(zhǎng)了它的使用時(shí)間[7]。

日本神奈川理工大學(xué)（Kanagawa University of Technology）研制的可穿戴助力外骨骼（Power Assist Suit，PAS）于1991年問(wèn)世（如圖7所示）。這款可穿戴助力外骨骼是一款全身外骨骼機(jī)器人，包括了機(jī)械肩、機(jī)械臂、軀干、腰部和機(jī)械腿等類人結(jié)構(gòu)，質(zhì)量約為30 kg。實(shí)驗(yàn)證明，它可以增加普通人體力量的0.5～1倍，并已經(jīng)達(dá)到了讓醫(yī)護(hù)人員更加方便地照顧殘疾人的目的[8]。

圖6 勇士-21外骨骼機(jī)器人

圖7 日本神奈川理工大學(xué)PAS

圖8 HAL-5外骨骼機(jī)器人

日本筑波大學(xué)Cybernics實(shí)驗(yàn)室于2002年研發(fā)出一款穿戴型助力機(jī)器人，并命名為HAL（Hybrid Assistive Leg）。該裝備的研究目標(biāo)是幫助年邁者及殘疾人進(jìn)行正常的運(yùn)動(dòng)。3 a之后，HAL已經(jīng)發(fā)展到第5代產(chǎn)品HAL-5，如圖8所示。該外骨骼機(jī)器人不僅可以用于加強(qiáng)正常人體的運(yùn)動(dòng)能力，還可以用于輔助有傷病的殘疾人進(jìn)行正常行走。HAL-5的質(zhì)量約為15 kg，它的整個(gè)系統(tǒng)可以承受140～220 kg的重物。HAL-5系統(tǒng)配備較多的傳感器，其中角度傳感器、肌電傳感器、壓力傳感器等元件可以實(shí)時(shí)地獲取外骨骼人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)信息，然后發(fā)送給處理器，經(jīng)過(guò)處理后的信息通過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使各個(gè)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)。HAL-5將驅(qū)動(dòng)裝置、測(cè)量裝置、動(dòng)力裝置等全部都集成在背包中，使整個(gè)裝備緊湊方便，更好地輔助了穿戴者的運(yùn)動(dòng)[8]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2004年，海軍航空學(xué)院開展了關(guān)于外骨骼技術(shù)的研究，并于2006年首次推出了第一代外骨骼機(jī)器人（如圖9所示），2 a之后又展示了第二代外骨骼機(jī)器人，如圖10所示。該裝備以電池為能量來(lái)源，通過(guò)安置于足底的壓力傳感器收集步態(tài)信息，然后通過(guò)微處理器發(fā)出信息驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)了穿戴者的負(fù)重行走[9]。

圖9 第一代外骨骼機(jī)器人

圖10 第二代外骨骼機(jī)器人

中國(guó)科學(xué)院自2004年開始就外骨骼機(jī)器人的研究開展工作，經(jīng)過(guò)不懈的努力終于研制出了一種下肢外骨骼機(jī)器人，如圖11所示。該系統(tǒng)在單條機(jī)械腿上配置了6個(gè)自由度（機(jī)械髖關(guān)節(jié)3個(gè)，機(jī)械膝關(guān)節(jié)1個(gè)，機(jī)械踝關(guān)節(jié)1個(gè)，足底1個(gè)），它采用電池為能源，并且在外骨骼架上安裝了多種傳感器和編碼器，通過(guò)這些感知系統(tǒng)裝置獲取人體的運(yùn)動(dòng)信息，最后采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式協(xié)調(diào)并輔助穿戴者運(yùn)動(dòng)[10]。

除此之外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了關(guān)于康復(fù)訓(xùn)練的外骨骼機(jī)器人的研究；上海大學(xué)和浙江大學(xué)也分別研制出了不同用途的下肢外骨骼機(jī)器人；清華大學(xué)、陸軍第二炮兵學(xué)院、中科院合肥智能研究所、東南大學(xué)、海軍航空工程學(xué)院、南京理工大學(xué)、上海大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等科研單位也逐漸開始了外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研究[11]。

圖11 中科院外骨骼機(jī)器人

2 外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)分析

外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴式的機(jī)電智能機(jī)器人，為了能讓外骨骼機(jī)器人發(fā)揮最大的作用，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的分析研究是必不可少的。

2.1 外骨骼機(jī)器人的上肢結(jié)構(gòu)

為了讓外骨骼機(jī)器人與穿戴者之間實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)動(dòng)耦合性，在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)與分析時(shí)，應(yīng)該充分考慮到安全、輕便、靈活、舒適等因素[12]。

外骨骼機(jī)器人下肢基本上都采用了擬人化的設(shè)計(jì)思想，方便于后背承載負(fù)重，但不適合搬運(yùn)位于穿戴者前方的物體，這給穿戴者的工作帶來(lái)了很多困難。針對(duì)這一情況，外骨骼機(jī)器人的上肢應(yīng)運(yùn)而生。但是對(duì)于外骨骼機(jī)器人上肢的設(shè)計(jì)，各個(gè)國(guó)家都有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。一種認(rèn)為外骨骼機(jī)器人上肢也要與穿戴者的身體進(jìn)行直接接觸，應(yīng)盡量采用擬人化的設(shè)計(jì)思路，這樣才能使外骨骼機(jī)器人具有很好的可穿戴性，如圖12、13所示。另一種則認(rèn)為外骨骼機(jī)器人應(yīng)該在保證完成任務(wù)的前提下，盡量簡(jiǎn)化上肢的機(jī)械機(jī)構(gòu)，這樣不僅可以降低設(shè)計(jì)難度，更節(jié)省了財(cái)力物力，如圖14所示[13]。

圖12 HAL-5外骨骼機(jī)器人上肢

圖13 XOS外骨骼機(jī)器人上肢

圖14 HULC外骨骼機(jī)器人上肢

2.2 傳感系統(tǒng)

為了能夠準(zhǔn)確地獲得穿戴者的運(yùn)動(dòng)信息，外骨骼機(jī)器人需要一個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)，這就是傳感系統(tǒng)。一個(gè)完整的傳感系統(tǒng)是由各類不同的傳感器組成的，外骨骼機(jī)器人正是通過(guò)它們才能對(duì)穿戴者的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行全面識(shí)別[14]。

美國(guó)BLEEX外骨骼機(jī)器人在其機(jī)械腿上裝配了40多個(gè)傳感器，其中包括了壓力傳感器和陀螺儀等，這些傳感器實(shí)時(shí)地檢測(cè)和分析人體的運(yùn)動(dòng)信息，保證了外骨骼機(jī)器人與穿戴者的協(xié)調(diào)配合[15]。日本HAL-5的傳感系統(tǒng)主要由壓力傳感器和生物電信號(hào)傳感器組成，它的特點(diǎn)在于可以依靠穿戴者的肌電信號(hào)來(lái)控制動(dòng)力裝置。而我國(guó)在外骨骼機(jī)器人的傳感系統(tǒng)上也做了相應(yīng)研究。中科院合肥智能研究所研制的外骨骼機(jī)器人也分別在足底和連桿裝配了一維和三維力傳感器，通過(guò)測(cè)量力的大小來(lái)對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)判[16]。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的外骨骼機(jī)器人的傳感系統(tǒng)包括：力傳感器、加速度傳感器和角度傳感器。其中力傳感器用來(lái)測(cè)量地面對(duì)人機(jī)系統(tǒng)的反作用力，角度傳感器用于測(cè)量關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度[17]。

參考以上外骨骼機(jī)器人的傳感系統(tǒng)，本課題組也做了相應(yīng)的工作[18]，并設(shè)計(jì)出一種由壓力傳感器和傾角傳感器組成的傳感系統(tǒng)。壓力傳感器選用的是美國(guó)Tekscan公司生產(chǎn)的薄膜壓力傳感器A401，如圖15所示。將6個(gè)壓力傳感器分別置于左右傳感靴底部，用于測(cè)量足底壓力。傾角傳感器選用的是瑞芬科技有限公司生產(chǎn)的LCA320傾角傳感器，如圖16所示，將4個(gè)傾角傳感器分別置于左右腿的大腿和小腿部分，用于測(cè)量角度變化。

圖15 A401薄膜壓力傳感器

圖16 LCA320雙軸傾角傳感器

2.3 人機(jī)智能控制系統(tǒng)

外骨骼機(jī)器人區(qū)別于其他機(jī)器人的最大特點(diǎn)是人機(jī)交互。這不僅需要它的機(jī)械結(jié)構(gòu)與穿戴者之間的交互性要好，而且還要求控制系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地反應(yīng)穿戴者的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)智能系統(tǒng)的綜合一體化思想，可以將控制系統(tǒng)從感知、決策及執(zhí)行3個(gè)方面加以考慮。

感知層面的主要功能是收集生理信息和物理信息等。日本HAL系列的外骨骼機(jī)器人通過(guò)肌電傳感器采集皮膚的生理信息來(lái)控制穿戴者運(yùn)動(dòng)，而通過(guò)壓力傳感器、傾角傳感器測(cè)量重力、角速度和角加速度等物理信息。當(dāng)遇到一些比較復(fù)雜的問(wèn)題時(shí)，就需要外骨骼機(jī)器人和穿戴者共同協(xié)調(diào)解決，這就涉及到了決策層面，它的模式通?？梢苑譃槿酥鳈C(jī)輔、機(jī)主人輔和人機(jī)協(xié)調(diào)3種。執(zhí)行層面指的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受到從決策層面?zhèn)鱽?lái)的信號(hào)，最終完成對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的輔助功能[19]。

人機(jī)智能控制系統(tǒng)通過(guò)以上3個(gè)層面就可以快速準(zhǔn)確地反應(yīng)穿戴者的運(yùn)動(dòng)信息，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)控制。

3 結(jié)語(yǔ)

伴隨著生物技術(shù)、機(jī)電液一體化技術(shù)、控制方法技術(shù)等的不斷融合和發(fā)展，外骨骼機(jī)器人技術(shù)也在不斷成熟。以外骨骼機(jī)器人為基點(diǎn)，可以將其技術(shù)擴(kuò)展到很多領(lǐng)域。例如，用于康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)，可以幫助病患盡快恢復(fù)健康；用于假肢的研究，可以使殘疾人像正常人一樣生活。

通過(guò)對(duì)外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)零干涉的目標(biāo)。對(duì)外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，建立合適的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)機(jī)制和自主適應(yīng)學(xué)習(xí)機(jī)制。相信不久的將來(lái)，外骨骼機(jī)器人必將為人們提供更好的服務(wù)[20]。

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（收稿：2014-06-06 修回：2014-09-12）

Research situation and development trend of robot exoskeleton

XING Kai1,ZHAO Xin-hua1,CHEN Wei1,2,SHI Cai-hong1，2,GUO Yue1,ZHANG Xi-zheng1,2
（1.School of Mechanical Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China; 2.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China）

The significance and research situation of exoskeleton robots at home and abroad are introduced,focusing on several typical exoskeleton robots and the analysis of their basic parameters.The development of key technologies during the study of exoskeleton robots is also introduced,including the upper structure of mechanical design,sensor system and human intelligent control system,then some correspondingly typical models are listed.Finally,the prospect of exoskeleton robots is presented as well.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：104-107]

exoskeleton;robot;human-computer cooperation

R318；TP242.6

A

1003-8868（2015）01-0104-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.104

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11302147，51275353）；天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目（20100402）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目二等（軍隊(duì)系統(tǒng)）；天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目

邢 凱（1988—），男，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人學(xué)，E-mail：150036 0956@qq.com。

300384天津，天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（邢 凱，趙新華，陳煒，郭 月，張西正）；300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（陳煒，侍才洪，張西正）

張西正，E-mail：z56787@sohu.com