可穿戴外骨骼機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用研究

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(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京 100076)

0 引言

外骨骼機(jī)器人是一類(lèi)模仿人體生理構(gòu)造、能被人穿戴、協(xié)同穿戴者運(yùn)動(dòng)的同時(shí)輔助穿戴者的智能機(jī)械裝置。它穿戴在操作者身體外部，為穿戴者提供支撐保護(hù)的同時(shí)，還可以為人體提供額外的動(dòng)力和感知能力。外骨骼機(jī)器人可以提高人們?cè)谛凶吣途眯?、?fù)重能力等特定方面的體能[1]。外骨骼技術(shù)是人體與機(jī)器的完美融合，穿戴者和外骨骼形成了一個(gè)“人在回路”的閉環(huán)協(xié)同系統(tǒng)。機(jī)器通過(guò)多種傳感器實(shí)時(shí)感知穿戴者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)意圖，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，快速做出反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)多自由度、多運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)輔助，并對(duì)穿戴者的行為運(yùn)動(dòng)進(jìn)行放大，提升人體機(jī)能[2]。

外骨骼機(jī)器人與一般機(jī)器人最大的區(qū)別是，它是與人體實(shí)時(shí)、高度結(jié)合、交互的，屬于智能交互人-機(jī)工程，通過(guò)實(shí)時(shí)判斷感知人體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為其提供額外的助力和感知能力。

由于可穿戴外骨骼機(jī)器人展現(xiàn)出的特殊性能和應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)均已開(kāi)展該領(lǐng)域的研究工作，現(xiàn)予以分別介紹。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

自1965年開(kāi)始，美國(guó)國(guó)防部開(kāi)始支持研發(fā)可穿戴式外骨骼機(jī)器人。近年來(lái)，得益于高性能微處理器、新型材料和高精密傳感器等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，外骨骼機(jī)器人正在蓬勃發(fā)展。近年來(lái)的代表成果有美國(guó)雷神公司的XOS2系統(tǒng)、洛馬公司的HULC系統(tǒng)、伯克利大學(xué)的BLEEX系統(tǒng)、日本筑波大學(xué)的HAL系統(tǒng)、瑞士的六自由度ARMin康復(fù)機(jī)器人等，下面選取典型的前2種機(jī)器人予以介紹。

1.1 美國(guó)雷神公司的XOS2系統(tǒng)

美國(guó)Raytheon公司的XOS2樣機(jī)是目前領(lǐng)域內(nèi)最先進(jìn)的外骨骼機(jī)器人，是全身外骨骼系統(tǒng)，采用高壓液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，力量強(qiáng)度放大17倍，最高負(fù)重可到90 kg，可擊穿76.2 mm厚的木板。穿戴者能靈活運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行如俯臥撐、爬樓梯和踢足球等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。但是該系統(tǒng)并未集成泵源和動(dòng)力模塊，而是采用外部獨(dú)立液壓源的方式驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行，因此它最大的缺陷是要拖著外接油管和電纜行進(jìn)，而自帶電池只夠使用40 min。因此能源動(dòng)力問(wèn)題是該系統(tǒng)最需要解決的問(wèn)題。XOS2系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 美國(guó)雷神公司的XOS2系統(tǒng)

1.2 美國(guó)洛馬公司的HULC系統(tǒng)

美國(guó)洛馬公司的HULC系統(tǒng)是真正交付軍方使用的外骨骼機(jī)器人，它使用2塊總質(zhì)量3.6 kg的鋰聚合物電池作為動(dòng)力源，采用液壓作動(dòng)器對(duì)下肢膝關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。它不但能夠直立行走，還能完成下蹲和匍匐等多種復(fù)雜動(dòng)作。它使士兵背負(fù)或搬運(yùn)50 kg作戰(zhàn)物資長(zhǎng)途跋涉而不影響戰(zhàn)斗力[3]。它的電源可以保證穿戴者負(fù)重后以4.8 km/h的速度行進(jìn)1 h，跑步速度可達(dá)16 km/h[4]。

圖2 美國(guó)洛馬公司的HULC系統(tǒng)

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展可穿戴外骨骼的研究機(jī)構(gòu)和公司也非常多，包括華東理工大學(xué)的下肢ELEBOT系統(tǒng)、浙江大學(xué)的下肢液壓和氣動(dòng)外骨骼、哈爾濱工業(yè)大學(xué)下肢外骨骼機(jī)器人樣機(jī)、國(guó)防科技大學(xué)的液壓驅(qū)動(dòng)上肢外骨骼機(jī)器人、電子科技大學(xué)液壓驅(qū)動(dòng)的下肢外骨骼機(jī)器人、北京郵電大學(xué)的外骨骼遙操作主手、兵工集團(tuán)西北機(jī)電工程研究所的單兵外骨骼，以及上海傅利葉公司的下肢康復(fù)機(jī)器人Fourier X1等。下面選取典型的后2種機(jī)器人進(jìn)行介紹。

2.1 兵工集團(tuán)單兵外骨骼機(jī)器人

2012年，兵工集團(tuán)西北機(jī)電工程研究所率先在國(guó)內(nèi)成功研制了電液驅(qū)動(dòng)的外骨骼可穿戴機(jī)器人實(shí)用化裝備，在負(fù)重助力型外骨骼可穿戴機(jī)器人研究領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。該樣機(jī)自重不大于35 kg，最大負(fù)荷60 kg，步速4.5 km/h，支持平地行走、上下斜坡、上下臺(tái)階和下蹲起立等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，可兼容背負(fù)和搬運(yùn)2種工作方式，續(xù)航時(shí)間大于1 h，可適應(yīng)身高范圍1.6～1.85 m。樣機(jī)如圖3所示[5]。

圖3 兵工集團(tuán)單兵下肢外骨骼

2.2 傅利葉公司的Fourier X1

2017年的3月17日，由上海傅利葉智能科技有限公司自主研發(fā)的下肢康復(fù)機(jī)器人Fourier X1正式對(duì)外發(fā)布，這是國(guó)內(nèi)首款正式投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的外骨骼機(jī)器人，可幫助下半身癱瘓的患者實(shí)現(xiàn)坐、站、行走、上下樓梯等基本功能，如圖4所示。傅利葉的這款機(jī)器人，可通過(guò)多種傳感器感知患者的意圖，帶有觸覺(jué)和智能感知技術(shù)，能夠通過(guò)力傳感器、足底的壓力和傳感信號(hào)識(shí)別使用者的走路意識(shí)，幫助患有肢體運(yùn)動(dòng)障礙的用戶(hù)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和正常行走。

圖4 傅利葉公司的Fourier X1

3 關(guān)鍵技術(shù)

可穿戴外骨骼機(jī)器人，是將機(jī)電一體化、生物力學(xué)、人體傳感網(wǎng)絡(luò)、步態(tài)分析和智能化等多領(lǐng)域科技融合而成的高技術(shù)產(chǎn)物，與這個(gè)領(lǐng)域相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)如下所述。

3.1 新型傳感元件

外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)用到的傳感器，可分為采集穿戴者交互信息的傳感器和采集機(jī)器人自身狀態(tài)的傳感器，由于受體積、重量、外形結(jié)構(gòu)等限制，通常需要研究者根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)計(jì)所需要的傳感元件。有些系統(tǒng)采用應(yīng)變片組建的惠更斯電橋作為敏感單元，應(yīng)用于足底的壓力檢測(cè)；有些系統(tǒng)采用微型光學(xué)器件的拉壓力傳感器，還有些系統(tǒng)采用微型敏感元件陣列等，以測(cè)量穿戴者施加在綁帶上的接觸應(yīng)力，從而計(jì)算操作者的運(yùn)動(dòng)意圖。

3.2 新型執(zhí)行元件

新型作動(dòng)器的研究需關(guān)注阻抗特性、響應(yīng)速度、安全性等問(wèn)題。目前，應(yīng)用最廣泛的是串聯(lián)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)作動(dòng)器(圖5a)，該類(lèi)型作動(dòng)器是在關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與機(jī)械之間添加1個(gè)彈簧，通過(guò)測(cè)量彈簧形變可以得到作動(dòng)器的輸出扭矩，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的扭矩控制和阻抗控制。

除此以外，還有采用電機(jī)、帶輪實(shí)現(xiàn)的剛度可變的作動(dòng)器，可調(diào)串聯(lián)彈簧的變剛度作動(dòng)器，并聯(lián)-串聯(lián)作動(dòng)器，以及氣動(dòng)人工肌肉(圖5b)等多種新型執(zhí)行元件[1]。

圖5 新型執(zhí)行元件

3.3 新型控制方式與控制策略

可穿戴外骨骼的控制技術(shù)，一是指控制方式，二是指控制策略。在控制方式上，現(xiàn)已有肢體映射控制、生物電(如腦電、肌電)控制、直接力反饋控制和體域網(wǎng)傳感反饋控制等多種方式。新型控制方式如圖6所示。肢體映射控制就是指利用人體自身動(dòng)作控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，這在外骨骼機(jī)器人研究中應(yīng)用最為普遍。生物電控制是通過(guò)測(cè)量人體生理電信號(hào)(如腦電、肌電等) 實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械部分的控制，目前最成功的產(chǎn)品是日本的HAL外骨骼機(jī)器人。

圖6 新型控制方式

直接力反饋控制是通過(guò)在人體與機(jī)器所有接觸點(diǎn)安裝力傳感器，當(dāng)肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)，各接觸點(diǎn)的作用力發(fā)生改變，引起外骨骼產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)外骨骼和肢體間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。體域網(wǎng)傳感反饋是通過(guò)遍布于身體各處的傳感器實(shí)時(shí)采集身體的運(yùn)動(dòng)信息，并實(shí)時(shí)計(jì)算出所需要的力量分配，以達(dá)到機(jī)器人與人體之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，美國(guó)伯克利大學(xué)的BLEEX系統(tǒng)就是代表性產(chǎn)品。

而控制策略包括2方面，一是機(jī)器人肢體預(yù)期做出何種動(dòng)作，二是機(jī)器人肢體如何完成預(yù)期動(dòng)作。前者涉及到外骨骼機(jī)器人集成的各路傳感器信息融合處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穿戴者運(yùn)動(dòng)意圖的獲取，以及機(jī)器人肢體運(yùn)動(dòng)模式的選取(關(guān)節(jié)位置控制、力控制等)；后者則包含機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、控制器軟硬件設(shè)計(jì)等。采用的方法包括關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與人體的耦合關(guān)系建模策略，人體與外骨骼相互作用抽象建模成虛擬阻抗策略，慣性測(cè)量單元感知策略等技術(shù)。

3.4 高功率密度動(dòng)力源

外骨骼裝備要求高效、長(zhǎng)久、輕便、安全地能源供給，動(dòng)力源問(wèn)題是外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵難題之一，尤其是室外應(yīng)用的外骨骼機(jī)器人，通常難以獲得外部能源供應(yīng)。因此，自身能否實(shí)現(xiàn)可靠、高密度、長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間的集成動(dòng)力能源供應(yīng)，是外骨骼機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)室外使用的核心問(wèn)題之一，目前全球范圍內(nèi)還沒(méi)有更好的突破。如美國(guó)伯克利大學(xué)的BLEEX裝置集成了動(dòng)力源，以背包的形式背在穿戴者身上，但系統(tǒng)體積、重量過(guò)大，動(dòng)力源成為了主要負(fù)重，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致穿戴者膝蓋、脊柱、肩部不適；雷神公司XOS2系統(tǒng)自帶電源只能使用40 min，長(zhǎng)時(shí)間使用必須依靠地面供電且連接油管，給使用帶來(lái)不便。

以蓄電池作為動(dòng)力源的，工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易控制、噪聲小，但續(xù)航時(shí)間短、輸出功率低；采用液壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力模塊，可提供較大的功率和相對(duì)較長(zhǎng)的持續(xù)工作時(shí)間，但噪聲、振動(dòng)、發(fā)熱量大，控制復(fù)雜。因此，針對(duì)室外應(yīng)用的外骨骼機(jī)器人，需要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、質(zhì)量功率比高、安全性能符合要求的專(zhuān)用動(dòng)力輸出能源；另一方面還應(yīng)盡量減少機(jī)械部分的能源消耗，通過(guò)智能化管理實(shí)現(xiàn)能源的高效循環(huán)和利用。

3.5 新型材料技術(shù)

當(dāng)今外骨骼樣機(jī)通常采用金屬材料作為機(jī)械結(jié)構(gòu)，但是其自重過(guò)大，導(dǎo)致有效載荷低下、等效慣量大等問(wèn)題。因此應(yīng)研發(fā)新型輕量化材料替代，現(xiàn)在已有機(jī)構(gòu)研究采用鈦合金材料、新型高分子材料、高強(qiáng)度碳纖維材料、氣動(dòng)人工肌肉、高分子聚合物人工肌肉、鐵電體聚合物、離子型人工肌肉、電子型人工肌肉、有機(jī)燃料的人工肌肉和液態(tài)金屬等新型材料[6]，如圖7所示。但這些新型材料仍處于試驗(yàn)室研究階段，距離工程應(yīng)用還有一定差距。

圖7 新型材料舉例

3.6 安全性和個(gè)體差異適應(yīng)性技術(shù)

外骨骼機(jī)器人在工作時(shí)與穿戴者直接捆綁接觸，背負(fù)較大質(zhì)量，對(duì)人力肌肉產(chǎn)生較大的作用力。如果外骨骼機(jī)器人發(fā)生故障或預(yù)期運(yùn)動(dòng)判斷錯(cuò)誤，將嚴(yán)重威脅到穿戴者的安全，導(dǎo)致人體肌肉拉傷、骨骼折斷、 關(guān)節(jié)受損和人員受傷等危險(xiǎn)。尤其是發(fā)生誤操作、跌倒等意外故障時(shí)，采用金屬材料的外骨骼更會(huì)對(duì)穿戴者帶來(lái)很大危險(xiǎn)。但如何保證外骨骼機(jī)器人的安全性使用問(wèn)題上，國(guó)內(nèi)外并無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和措施。

另外，由于人體結(jié)構(gòu)不是完全相同的，身高、體重、體寬、骨骼長(zhǎng)度和關(guān)節(jié)位置等人體差異性，導(dǎo)致外骨骼機(jī)器人難以普遍適應(yīng)所有人群，難以實(shí)現(xiàn)工程化量產(chǎn)和普遍應(yīng)用?，F(xiàn)在大部分商業(yè)用外骨骼機(jī)器人還是醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域[7]、針對(duì)患者特殊訂制的產(chǎn)品，影響了外骨骼機(jī)器人的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

可穿戴外骨骼機(jī)器人是集成了機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、力學(xué)和電子科學(xué)等多方面知識(shí)的高新技術(shù)，在軍事和民用等領(lǐng)域具有廣闊的前景，并取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但必須承認(rèn)的是，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大部分助力型外骨骼機(jī)器人仍處于樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試和完善階段，還存在種種缺陷，距離實(shí)戰(zhàn)化和市場(chǎng)化還有一段很長(zhǎng)的路要走。正因如此，該領(lǐng)域機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，醞釀著巨大的突破空間和應(yīng)用空間，期待核心難題的曙光突破，亟待全面深入開(kāi)拓。

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