外骨骼助力機(jī)器人研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析

周加永，莫新民，張 昂，孟小凈，趙 浩，紀(jì)平鑫

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

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【信息科學(xué)與控制工程】

外骨骼助力機(jī)器人研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析

周加永，莫新民，張 昂，孟小凈，趙 浩，紀(jì)平鑫

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

根據(jù)研究工作積累和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)外骨骼助力機(jī)器人國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)外骨骼助力機(jī)器人所涉及的機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感控制技術(shù)、能源技術(shù)以及安全性技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)外骨骼助力機(jī)器人在軍事領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

外骨骼；助力機(jī)器人；關(guān)鍵技術(shù)

外骨骼助力機(jī)器人是模仿生物界外骨骼而提出的一種新型機(jī)電一體化裝置，結(jié)合傳感、控制、信息融合、移動(dòng)計(jì)算等機(jī)器人技術(shù)，在為穿戴者提供諸如保護(hù)、身體支撐等功能的基礎(chǔ)上，還能夠在穿戴者的控制下完成一定的功能和任務(wù)。外骨骼助力機(jī)器人作為仿生裝備的一種，與無(wú)人機(jī)、3D打印戰(zhàn)機(jī)以及新概念武器等被評(píng)為2016年最具發(fā)展?jié)摿Φ氖笪淦餮b備前沿技術(shù)。美國(guó)、日本、俄羅斯和法國(guó)等國(guó)對(duì)科研院所和高校外骨骼助力機(jī)器人的研制進(jìn)行了資助，通過(guò)幾年的潛心研制，均取得了不錯(cuò)的成績(jī)，具有代表性的是美國(guó)的HULC，日本的HAL，俄羅斯的“勇士-21”和法國(guó)的“大力神”[1]。我國(guó)外骨骼助力機(jī)器人的研制起步較晚，各研究機(jī)構(gòu)在參考借鑒國(guó)外先進(jìn)外骨骼助力機(jī)器人的基礎(chǔ)上，通過(guò)自身的創(chuàng)新與研發(fā)，已有不少外骨骼助力機(jī)器人樣機(jī)問(wèn)世，實(shí)驗(yàn)效果不錯(cuò)。

外骨骼助力機(jī)器人的發(fā)展和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展密不可分，微驅(qū)動(dòng)技術(shù)、材料科學(xué)、能源技術(shù)以及信息技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了外骨骼助力機(jī)器人的發(fā)展。

1 外骨骼助力機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著傳感控制技術(shù)、新型材料以及新型制造等技術(shù)的發(fā)展，外骨骼助力機(jī)器人也取得了很快的發(fā)展。歐美等國(guó)家一方面優(yōu)化改進(jìn)原有外骨骼助力機(jī)器人，另一方面又研制了其他新型外骨骼助力機(jī)器人，其中歐美等國(guó)家主要進(jìn)行軍用外骨骼助力機(jī)器人的研制。通過(guò)近幾年的不懈努力，我國(guó)在外骨骼助力機(jī)器人的研制中也取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)于上世紀(jì)60年代開(kāi)始進(jìn)行外骨骼助力機(jī)器人的研制，1965年美國(guó)軍方和通用公司聯(lián)合研發(fā)了一個(gè)名為哈迪曼的外骨骼裝置，但是哈迪曼的重量過(guò)大，達(dá)到了680 kg，穿戴者穿上后根本無(wú)法移動(dòng)，最終項(xiàng)目被擱淺[2]。

2004年，加州大學(xué)伯克利分校研制出伯克利下肢外骨骼系統(tǒng)BLEEX，如圖1所示。BLEEX外骨骼助力機(jī)器人能夠提高美軍的負(fù)重能力、機(jī)動(dòng)性與越野能力。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[3]。

2004年，伯克利仿生科技公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款名為ExoClimber的下肢外骨骼系統(tǒng)，如圖2所示[4]。ExoClimber自重約30 kg，最大承載90 kg。2005年底，美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部用ExoClimber在科羅拉多州博爾德的烙鐵峰(在0.5 km范圍海拔上升300 m)進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)ExoClimber協(xié)助，特種兵背負(fù)90 kg負(fù)重輕松登上了原來(lái)根本不能想象能登上的烙鐵峰。

圖1 BLEEX外骨骼助力機(jī)器人

圖2 ExoClimber外骨骼助力機(jī)器人

2006年，Sarcos公司研制成功了XOS全身外骨骼，XOS外骨骼系統(tǒng)能將人的力量增大6倍，同時(shí)具有非常高的動(dòng)作靈敏度。2007年，美國(guó)軍火巨頭雷神公司收購(gòu)了Sarcos公司，并于2010年研發(fā)出了XOS-2動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)，如圖3所示。XOS-2重量輕了10%，能耗降低了50%，力增比達(dá)到了驚人的17:1，性能的全面增長(zhǎng)使之深得美國(guó)軍方認(rèn)可[5]。

2012年，洛克希德·馬丁公司研制成功了外骨骼HULC，如圖4所示。美國(guó)陸軍在2012年9月接收洛克希德·馬丁公司的人體負(fù)重外骨骼HULC，用于評(píng)估測(cè)試。后期洛克希德·馬丁公司又陸續(xù)對(duì)外骨骼HULC進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)型的外骨骼HULC并沒(méi)有對(duì)外公布，不過(guò)到目前為止外骨骼HULC是技術(shù)最先進(jìn)、性能最好的軍用外骨骼助力機(jī)器人[6]。

2013年，美國(guó)Revision Military公司研發(fā)成功了一款新型外骨骼，被稱為“徘徊者”(Prowler)的下肢外骨骼系統(tǒng)，如圖5所示。該外骨骼系統(tǒng)還裝備了護(hù)甲防御子彈和彈片，它還為穿戴者提供降溫系統(tǒng)、一組監(jiān)控其生理指標(biāo)的傳感器，以及超人般的力量[7]。

圖3 XOS2外骨骼助力機(jī)器人

圖4 HULC外骨骼助力機(jī)器人

2014年，哈佛大學(xué)的生物工程研究所研發(fā)了一款款名叫Soft Exosuit的外骨骼機(jī)械服裝，如圖6所示。這款外骨骼機(jī)器衣，主要包裹在士兵的腰部和大腿周圍，機(jī)器衣的主要材料是紡織物，大量的微處理器、傳感器以及隨身電源，都將植入到外骨骼機(jī)器衣中。機(jī)器衣配置了微型電動(dòng)機(jī)，可以給士兵提供額外的力量和運(yùn)動(dòng)能力。

圖5 Prowler外骨骼助力機(jī)器人

圖6 Soft Exosuit外骨骼助力機(jī)器人

俄羅斯與2009年提出要在2015年前開(kāi)發(fā)出“勇士-21”可穿戴式外骨骼機(jī)械作戰(zhàn)服，但是2015年已然逝去并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的目的。不過(guò)俄羅斯在2013年研發(fā)出了一種新型外骨骼，如圖7所示，最高負(fù)載100 kg。有了這款外骨骼，盾牌組合反恐戰(zhàn)力會(huì)有很大提升。2015年中旬，俄羅斯科研單位正加快研制新一代外骨骼單兵裝甲作戰(zhàn)服，這種新型裝置不僅可以選擇由大腦波進(jìn)行控制，同時(shí)也能大大節(jié)省配戴人員的體力、耐力以及提高作戰(zhàn)效率，有效物資攜帶重量可達(dá)300 kg。

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)。法國(guó)最新曝光其研制的“大力士”外骨骼戰(zhàn)斗服，如圖8所示，該戰(zhàn)斗服可以讓士兵輕而易舉提起100 kg的重量[8]。

2015年6月ReWalk[9]的外骨骼產(chǎn)品(如圖9所示)通過(guò)了美國(guó)藥物與食品管理局(FDA)的審批，這是迄今唯一一款也是首款獲得FDA批準(zhǔn)的外骨骼產(chǎn)品。ReWalk技術(shù)采用了體感芯片，捕捉患者的肢體動(dòng)作，幫助行走。通過(guò)電池驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)部位的電機(jī)，組成電動(dòng)腿部結(jié)構(gòu)，在行走過(guò)程中可以感應(yīng)患者重心的變化，模仿自然行走的步態(tài)，并能根據(jù)實(shí)際情況控制步行速度，患者還能自行完成安裝和拆卸。

圖7 俄羅斯外骨骼助力機(jī)器人

圖8 HERCULE外骨骼助力機(jī)器人

通過(guò)近10年的研發(fā)，HAL輔助義肢已被開(kāi)發(fā)至第5代，如圖10所示，重量也由25 kg縮減到10 kg，進(jìn)一步滿足常人的承受力[10]。通過(guò)感測(cè)體表的一些生物信息，例如肌肉的運(yùn)動(dòng)還有神經(jīng)電流的改變，HAL可以模擬穿戴者的動(dòng)作。并且在平行的方向上增強(qiáng)穿戴者的力量和耐久。目前HAL已于2014年在本國(guó)小規(guī)模上市，被認(rèn)為是最成熟的民用外骨骼系統(tǒng)。

圖9 ReWalk外骨骼助力機(jī)器人

圖10 HAL外骨骼助力機(jī)器人

Ekso Bionics 的研究人員正在測(cè)試一款為建筑和工業(yè)領(lǐng)域的工人而設(shè)計(jì)制造的仿生學(xué)外骨骼，如圖11所示，這款外骨骼使得普通人能夠擁有真正的“超級(jí)力量”。該套件完全是機(jī)械結(jié)構(gòu)，無(wú)需任何電池。

Lockheed Martin 公司正在研發(fā)下一代輕量級(jí)、不插電外骨骼，用來(lái)提升士兵的力量、持久力和靈活性，此前美國(guó)海軍在去年率先將兩臺(tái) FORTIS 外骨骼用于其造船廠。這款取名為FORTIS的外骨骼(如圖11所示)可以通過(guò)機(jī)器裝置將人體負(fù)重轉(zhuǎn)移到地面， 幫助站立和半跪狀態(tài)的用戶減輕負(fù)擔(dān)，舉重若輕地使用重型工具。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2004年起海軍航空工程學(xué)院開(kāi)展了的外骨骼研究,如圖13所示為其研制的第三代外骨骼助力機(jī)器人。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)通過(guò)直流伺服電機(jī)、諧波減速機(jī)、柔性拉索實(shí)現(xiàn)助力功能，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)穿戴者的負(fù)重行走[11]。

圖11 Ekso Bionics外骨骼助力機(jī)器人

圖12 FORTIS外骨骼助力機(jī)器人

2013年，由南京軍區(qū)總醫(yī)院博士后工作站研發(fā)的首部外骨骼裝置正式亮相，被定義為“單兵負(fù)重輔助系統(tǒng)” (如圖13所示)，面向軍用領(lǐng)域、專注于壓縮負(fù)重，并能夠快速同步穿戴者的動(dòng)作，但其功能相對(duì)單一，且負(fù)重能力以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)仍有待提升。

圖13 海航外骨骼助力機(jī)器人

圖14 南京軍區(qū)總醫(yī)院外骨骼助力機(jī)器人

2014年，由中科院常州先進(jìn)所設(shè)計(jì)研發(fā)了EXOP-1外骨骼系統(tǒng)，該系統(tǒng)由航空鋁打造，它配備了22個(gè)傳感器、 6個(gè)驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)控制器，造價(jià)在30萬(wàn)元左右。EXOP-1能夠減輕穿戴者的負(fù)重，但它的體積相對(duì)笨重，難以在短期內(nèi)投入使用。

2014年7月，經(jīng)過(guò)近兩年的研發(fā)，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院下肢外骨骼助力機(jī)器人項(xiàng)目取得新突破，日前成功實(shí)現(xiàn)截癱病人穿戴機(jī)器人站立行走，向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步，如圖16所示。

2014年11月珠海航展上，北京中航雙興科技有限公司展出了最新研制的一款外骨骼助力機(jī)器人，如圖17所示。該外骨骼助力機(jī)器人充滿電后背負(fù)50 kg負(fù)重，行走2個(gè)小時(shí)，步行速度1 m/s，動(dòng)力為電動(dòng)機(jī)。

圖15 常州先進(jìn)所外骨骼助力機(jī)器人

圖16 深圳先進(jìn)院外骨骼助力機(jī)器人

2015年7月，由兵器集團(tuán)202所研制的國(guó)產(chǎn)單兵外骨骼亮相中國(guó)軍民融合技術(shù)裝備博覽外骨骼系統(tǒng)可加裝輔助裝置，額定負(fù)荷平均平地步速為4.5 km/h，平地行走續(xù)航里程為20 km。該新型外骨骼若裝備部隊(duì)，可提高高原部隊(duì)的單兵負(fù)重量，提升單兵偵查能力，可執(zhí)行高原單兵巡邏、山地單兵巡邏、跨越障礙等任務(wù)。

圖17 中航雙興外骨骼助力機(jī)器人

圖18 兵器202所外骨骼助力機(jī)器人

電子科技大學(xué)程洪帶領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在“外骨骼助力機(jī)器人”研發(fā)上歷經(jīng)5年的艱苦探索，從1.0版到3.1版本的艱難研發(fā)過(guò)程。2015年9月12日在殘運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式上癱瘓小伙林寒在一款紅色外骨骼助力機(jī)器人的幫助下，完成了殘運(yùn)會(huì)生活的傳遞，該款紅色的外骨骼(如圖19所示)是由電子科技大學(xué)研制的3.1版本。

2016年4月18日，合肥研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所可穿戴外骨骼助力機(jī)器人“鋼鐵戰(zhàn)士”(如圖20所示)，亮相揚(yáng)州“科洽會(huì)”，這是具有助力、助殘功能的特種機(jī)器人。機(jī)器人由航空鋁打造，基于EtherCAT總線技術(shù)設(shè)計(jì)了全新的控制系統(tǒng)，結(jié)合多傳感器的信息融合，使穩(wěn)定性得到了很大提高。

2 外骨骼助力機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

從國(guó)內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)的研究成果和技術(shù)現(xiàn)狀可以看出，動(dòng)力外骨骼助力機(jī)器人涵蓋了機(jī)械、液壓、傳感、控制等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)外骨骼助力機(jī)器人的研究既有廣度也有深度，需要綜合分析，將總體技術(shù)分解為若干子技術(shù)，同步開(kāi)展研究。

圖19 電子科大外骨骼助力機(jī)器人

圖20 合肥研究院先進(jìn)所外骨骼助力機(jī)器人

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

機(jī)械結(jié)構(gòu)是外骨骼助力機(jī)器人的基本骨架，主要包括搬運(yùn)裝置、上背架、機(jī)械骨架等結(jié)構(gòu)，一方面為穿戴者提供支撐進(jìn)行助力，另一方面為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)等提供安裝位置。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是整個(gè)外骨骼系統(tǒng)設(shè)計(jì)的起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)，所以要認(rèn)真對(duì)待。在進(jìn)行設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn)：

1) 便于控制與驅(qū)動(dòng)

外骨骼助力機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中采用仿人形結(jié)構(gòu)，為了便于控制和驅(qū)動(dòng)，對(duì)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處的自由度進(jìn)行合理的減少。外骨骼助力機(jī)器人的最主要功能是能跟隨人體行走，這個(gè)動(dòng)作主要是在矢狀面上完成的，應(yīng)該首先滿足矢狀面上自由度的匹配。膝關(guān)節(jié)的屈/伸自由度、踝關(guān)節(jié)的屈/伸自由度、內(nèi)轉(zhuǎn)/外翻和外展/內(nèi)收自由度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易實(shí)現(xiàn)，最關(guān)鍵的應(yīng)該是髖關(guān)節(jié)屈/伸自由度、外展/內(nèi)收自由度和內(nèi)旋/外旋自由度三個(gè)自由度的配置。

2) 易于調(diào)節(jié)

由于人體尺寸千差萬(wàn)別，所設(shè)計(jì)的外骨骼助力機(jī)器人適合不同的人穿戴。在小腿與踝關(guān)節(jié)連桿和大腿與髖關(guān)節(jié)連桿處添加長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置，以此來(lái)調(diào)節(jié)外骨骼助力機(jī)器人的高度，適合不同高度的人穿戴。腰部要設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)寬度的結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)連接銷安裝孔調(diào)節(jié)腰部寬度，適合不同寬度的人穿戴。

3) 安全可靠

在每個(gè)自由度都設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)的機(jī)械限位，總的原則是使外骨骼的運(yùn)動(dòng)范圍略小于或等于人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍，以保證人機(jī)交互過(guò)程中人的安全。

4) 穿戴舒適

外骨骼要具有穿戴舒適性，設(shè)計(jì)中需要考慮外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)與使用者的貼合度、運(yùn)動(dòng)自由度的分配及冗余自由度的選擇等因素。外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)自由度的選擇與設(shè)計(jì)以能夠滿足穿戴者的基本行動(dòng)，不與穿戴者發(fā)生干涉為前提。在設(shè)計(jì)時(shí)要保證外骨骼助力機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心和人體關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心在冠狀面的一條直線上，對(duì)外骨骼的踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)進(jìn)行計(jì)算分析，確定腰帶長(zhǎng)度、大腿綁帶的位置和踝關(guān)節(jié)在冠狀面內(nèi)的長(zhǎng)度和布置位置的具體數(shù)值。這些數(shù)值的給出，保證人機(jī)交互過(guò)程中穿戴者安全同時(shí)，還考慮了穿戴的舒適性。所有與人體接觸部位都要采用柔性接觸設(shè)計(jì)。

5) 便于攜帶

外骨骼助力機(jī)器人的設(shè)計(jì)尺寸要盡可能小，在無(wú)動(dòng)力情況下，膝關(guān)節(jié)折疊以后，在髖關(guān)節(jié)處向背架方向可折疊，便于打包和攜帶。

2.2 驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

外骨骼助力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須質(zhì)量輕、體積小，并且能提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力矩或扭矩，同時(shí)要具有良好的散熱性能。當(dāng)前國(guó)際上的外骨骼助力機(jī)器人最主要的的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要為液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1) 液壓驅(qū)動(dòng)

采用液壓驅(qū)動(dòng)方式能夠增強(qiáng)外骨骼助力機(jī)器人的承載能力，具有緩沖功能，易于實(shí)現(xiàn)小型化，因此液壓驅(qū)動(dòng)型外骨骼助力機(jī)器人更適于物資裝備的背負(fù)和搬運(yùn)。但是液壓驅(qū)動(dòng)具有不可忽略的缺點(diǎn)，工作噪聲較大，效率低，容易泄露等，因此在進(jìn)行液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，減小其自身缺點(diǎn)的影響。在保證執(zhí)行元件能夠滿足機(jī)構(gòu)使用要求的情況下，盡量減少執(zhí)行元件和控制閥的數(shù)量。在可能的情況下優(yōu)化控制閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以期從液壓元件本身和數(shù)量上減少對(duì)液壓系統(tǒng)能源的消耗，從而達(dá)到系統(tǒng)減重、降耗的目的。美國(guó)洛克希德馬丁的HULC，哈弗大學(xué)的Soft Exosuit，雷神公司的XOS2和我國(guó)北京理工大學(xué)、兵器202所和航天206所等采用了液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

現(xiàn)在的電機(jī)技術(shù)比較成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于控制，但是其動(dòng)態(tài)平衡性不好，負(fù)重能力有限，更適合應(yīng)用于民用領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域。但如果實(shí)現(xiàn)較大動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)，則需選取電機(jī)的體積也可能會(huì)較大，這樣對(duì)機(jī)構(gòu)的輕巧、靈活性帶來(lái)一定的問(wèn)題。日本HAL，以色列Rewalk和法國(guó)的“大力士”等外骨骼助力機(jī)器人，我國(guó)的中航雙興科技有限公司，兵器208所和電子科技大學(xué)等外骨骼采用了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

2.3 傳感及控制技術(shù)研究

外骨骼助力機(jī)器人的傳感器就像人的神經(jīng)系統(tǒng)，通過(guò)傳感器能夠?qū)崟r(shí)在線檢測(cè)穿戴者的姿態(tài)、各關(guān)節(jié)處的角速度和力矩，并反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。在外骨骼助力機(jī)器人系統(tǒng)中需要用到的傳感器有編碼器，力/力矩傳感器、加速度傳感器。力傳感器用于測(cè)量關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的推力/拉力，穿戴者的前腳掌和足跟對(duì)鞋底的壓力；加速度傳感器用于監(jiān)測(cè)各個(gè)腿桿的加速度和位姿；編碼器用于監(jiān)測(cè)各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。通過(guò)這些傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外骨骼在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外骨骼運(yùn)動(dòng)的全狀態(tài)觀測(cè)。

可以應(yīng)用到外骨骼助力機(jī)器人上的控制方法有操作者控制、肌電控制、預(yù)編程控制、主從控制、直接力反饋控制、地面反作用力控制、ZMP 控制、靈敏度放大控制等，不論應(yīng)用哪種控制策略，都要實(shí)現(xiàn)人機(jī)耦合一體化，實(shí)現(xiàn)對(duì)外骨骼助力機(jī)器人的智能控制。同時(shí)，所設(shè)計(jì)選用的智能控制系統(tǒng)必須具備極強(qiáng)的抵抗外界環(huán)境干擾能力和重復(fù)使用性能，具有自學(xué)習(xí)增強(qiáng)適應(yīng)性功能，故障自檢功能，快速跟蹤人體運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)等功能。

2.4 能源技術(shù)研究

目前國(guó)內(nèi)外的外骨骼助力機(jī)器人主要用蓄電池為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)供電，續(xù)航能力受到蓄電池容量和效率的約束。高效、低噪和輕小型的燃料電池、太陽(yáng)能充電系統(tǒng)如果能應(yīng)用于外骨骼助力機(jī)器人，將會(huì)大大的增加其續(xù)航里程。德國(guó)SFC公司最新研發(fā)了一種結(jié)合傳統(tǒng)燃料電池技術(shù)和甲醇技術(shù)的新型燃料電池M-25，續(xù)航能力至少72小時(shí)，比同等時(shí)長(zhǎng)的傳統(tǒng)電池輕80%，可以將燃料電池應(yīng)用于外骨骼助力機(jī)器人上，或借鑒其相關(guān)技術(shù)研發(fā)一種更適合外骨骼助力機(jī)器人的燃料電池。美國(guó)軍方配備了一種充電效率高、重量輕、可彎曲和免維護(hù)的太陽(yáng)能充電系統(tǒng)，可以為電臺(tái)、筆記本電腦，甚至可以通過(guò)多組聯(lián)接提高功率，給汽車等大功率設(shè)備充電，可以對(duì)現(xiàn)有外骨骼助力機(jī)器人應(yīng)用的蓄電池進(jìn)行改進(jìn)，利用太陽(yáng)能充電系統(tǒng)充電續(xù)航。

2.5 安全性設(shè)計(jì)研究

外骨骼助力機(jī)器人在工作過(guò)程中有可能出現(xiàn)摔倒、碰撞和控制失效等意外狀況，勢(shì)必會(huì)對(duì)穿戴者造成傷害，所以對(duì)外骨骼助力機(jī)器人的安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)研究勢(shì)在必行。在整個(gè)設(shè)計(jì)與應(yīng)用過(guò)程中要堅(jiān)持以人為本，應(yīng)在設(shè)計(jì)、控制、操作和維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)建立安全評(píng)價(jià)方法。對(duì)外骨骼助力機(jī)器人本身而言，可以采取在保證各機(jī)械構(gòu)件滿足強(qiáng)度和剛度的前提下采用質(zhì)量小、慣性小的構(gòu)件，在各關(guān)節(jié)處設(shè)置安全限位保護(hù)裝置和緩沖阻尼裝置?？刂葡到y(tǒng)在意外斷電和信號(hào)丟失后使驅(qū)動(dòng)器回到自由狀態(tài)，要易于穿戴者自身進(jìn)行控制。此外，在外骨骼助力機(jī)器人與穿戴者直接接觸的部位可以安置安全氣囊或彈簧緩沖墊，減小外骨骼助力機(jī)器人對(duì)穿戴者的傷害。

3 外骨骼助力機(jī)器人的應(yīng)用

外骨骼助力機(jī)器人的研究和應(yīng)用已經(jīng)多年，有許多成熟產(chǎn)品已經(jīng)投放到了市場(chǎng)，根據(jù)Marketsandmarkets 研究報(bào)告，2014 年外骨骼助力機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模為1 650萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2021年增長(zhǎng)到21億美元。隨著外骨骼助力機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的不斷完善、成熟，外骨骼助力機(jī)器人在軍事領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將最為廣泛。

3.1 軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

外骨骼助力機(jī)器人可以增強(qiáng)士兵的負(fù)重能力、機(jī)動(dòng)性、耐久性等，在軍事領(lǐng)域主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 提高作戰(zhàn)效能：現(xiàn)在各國(guó)士兵都配備了一些新型的設(shè)備和武器，增強(qiáng)了士兵的作戰(zhàn)力，但是也增加了士兵的負(fù)擔(dān)。士兵穿戴外骨骼助力機(jī)器人后不但能代替士兵本身承擔(dān)這些設(shè)備的重量，甚至可以減少士兵正常行走的體力消耗，這將顯著增強(qiáng)士兵作戰(zhàn)的機(jī)動(dòng)性和耐久性。

2) 后勤補(bǔ)給與戰(zhàn)地救援：避免人工高強(qiáng)度重復(fù)勞動(dòng)導(dǎo)致的肌肉拉傷，輕松實(shí)現(xiàn)彈藥的搬運(yùn)。在戰(zhàn)場(chǎng)救援方面，救援人員可攜帶較重的醫(yī)療救援設(shè)備抵達(dá)目的地，或者快速將負(fù)傷人員從戰(zhàn)場(chǎng)上轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域。執(zhí)行后勤保障任務(wù)時(shí)，可用有限的人力靈活運(yùn)送物資裝備，能夠較好地解決物資裝備運(yùn)輸補(bǔ)給與靈活性、隱蔽性之間的矛盾。

3) 綜合作戰(zhàn)：士兵能攜帶更多的和火力更大的武器裝備提高打擊能力，在外骨骼助力機(jī)器人上加裝適合單兵的復(fù)合材料裝甲提高防護(hù)能力，外骨骼助力機(jī)器人可以加裝傳感器系統(tǒng)，以加強(qiáng)士兵的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力。

3.2 醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用

現(xiàn)在全球老齡化加劇，與此同時(shí)，由于各種自然災(zāi)害、疾病以及交通事故造成的殘障人士也在逐年增加。無(wú)論是老年人還是下肢殘疾人，他們的活動(dòng)范圍都受到了很大的限制，這就大大降低了他們的生活品質(zhì)和生活自由度。外骨骼助力機(jī)器人的助力行走功能可以增大老年人和殘疾人的活動(dòng)范圍，提高他們的行動(dòng)自由度，改善他們的生活品質(zhì)，幫助他們更好的融入社會(huì)。外骨骼還可用于醫(yī)療運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助訓(xùn)練，用數(shù)值量化的客觀評(píng)價(jià)方法改善訓(xùn)練效果。據(jù)相關(guān)資料，截止2015年，有84臺(tái)Rewalk 外骨骼機(jī)器人在多家康復(fù)中心使用以及54臺(tái)在個(gè)人和社區(qū)使用，Ekso 機(jī)器人外骨骼已進(jìn)入全球60 家康復(fù)中心，共計(jì)出售或出租64 臺(tái)Ekso，累計(jì)幫助3000多位患者進(jìn)行治療，HAL 外骨骼助力機(jī)器人已進(jìn)入163 家康復(fù)中心。

3.3 工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用

在工業(yè)領(lǐng)域外骨骼助力機(jī)器人可以應(yīng)用于工程施工、緊急救助、生產(chǎn)制造、搬運(yùn)運(yùn)輸、危險(xiǎn)工作等。其中，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域外骨骼助力機(jī)器人可以幫助生產(chǎn)線上的工人減輕重復(fù)勞作的壓力，還可以做手臂重物支撐，可以替代小型叉車。外骨骼在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了許多次測(cè)試。2011 年普吉特海灣海軍造船廠，工人身著全身外骨骼機(jī)器人(HULC+Zero-G)托舉電動(dòng)砂輪機(jī)進(jìn)行船體打磨，打磨時(shí)間僅為常規(guī)耗時(shí)的1/3。美國(guó)海軍隨后又在海軍船塢進(jìn)行了洛克馬丁公司的Fortis 外骨骼機(jī)器人的試驗(yàn)和評(píng)估。穿戴韓國(guó)大宇的外骨骼機(jī)器人的工人可以輕松抬著30 kg的東西用正常速度行走。日本HAL外骨骼機(jī)器人被用于福島核電站救助現(xiàn)場(chǎng)，外骨骼系統(tǒng)既可以助力，還可以防輻射。Ekso Bionics 的研究人員正在測(cè)試一款為建筑和工業(yè)領(lǐng)域的工人而設(shè)計(jì)制造的仿生學(xué)外骨骼，這款外骨骼助力機(jī)器人使得普通人能夠擁有真正的“超級(jí)力量”。

4 結(jié)論

目前雖然各國(guó)在外骨骼助力機(jī)器人的研制成績(jī)斐然，但還存在很多問(wèn)題，軍用外骨骼助力機(jī)器人的裝備時(shí)間還是未知數(shù)，民用外骨骼助力機(jī)器人的商業(yè)化進(jìn)程也較緩慢。然而在微驅(qū)動(dòng)技術(shù)、材料科學(xué)、能源技術(shù)以及信息技術(shù)等這些新技術(shù)的推動(dòng)下，外骨骼助力機(jī)器人會(huì)向著人工智能、高效輕小、安全可靠、柔順舒適、低廉多用等方向不斷發(fā)展。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Analysis of Exoskeleton Assist Robot Research Status and Key Technology

ZHOU Jia-yong, MO Xin-min, ZHANG Ang, MENG Xiao-jing, ZHAO Hao，JI Ping-xin

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)

According to the research work of accumulation and access to relevant literature, study on the status quo of exoskeleton at home and abroad were summarized, and the exoskeleton assist robot of structure techniques, driving control technology, sensor technology, energy technology and security technology and so on were analyzed, and the application prospect of exoskeleton assist robot in the military field, medical field and the industrial field were analyzed.

exoskeleton; assist robot; key technology

2016-05-19；

2016-06-15

周加永(1984—)，男，工程師，碩士研究生，主要從事液壓及機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2016.10.021

周加永，莫新民，張昂，等.外骨骼助力機(jī)器人研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(10):99-104.

format:ZHOU Jia-yong, MO Xin-min, ZHANG Ang, et al.Analysis of Exoskeleton Assist Robot Research Status and Key Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):99-104.

TP24

A

2096-2304(2016)10-0099-06