下肢外骨骼機器人研究現狀及發(fā)展趨勢

張建中 胡化增 張廣浩 李峰

摘 要：外骨骼機器人是可以穿戴在人身體外部的人機一體化機械結構，它與穿戴者一起行走，為其提供助力和保護。詳述了下肢外骨骼機器人在各領域的應用，并分別列舉各領域的應用實例，分析了下肢外骨骼機器人在設計過程中要解決的關鍵技術，介紹了外骨骼機器人幾種不同的驅動方式，并進行對比分析其優(yōu)缺點，對下肢外骨骼機器人技術的發(fā)展趨勢進行預測。

關鍵詞：下肢外骨骼；機器人；可穿戴

中圖分類號：TP242.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0072-02

Abstract： Exoskeleton robot is a human-machine integrated mechanical structure which can be worn on the outside of the human body. It walks with the wearer to provide assistance and protection. The applications of the lower limb exoskeleton robot in various fields are described in detail， and the key technologies in the design of the lower limb exoskeleton robot are analyzed. This paper introduces several different driving modes of exoskeleton robot， analyzes their advantages and disadvantages， and forecasts the development trend of lower limb exoskeleton robot technology.

Keywords： lower limb exoskeleton； robot； wearable

引言

在自然界中，外骨骼是一種能夠保護和支撐生物柔軟內部器官的外部結構，比如螃蟹、蝸牛、昆蟲等生物的甲殼。由此，科學們提出了外骨骼機器人的概念-用于保護穿戴者并為其提供額外的動力。比如家庭用輔助型外骨骼機器人可協助年老體弱者正常行走；醫(yī)用康復外骨骼機器人可使殘疾人像正常人那樣重新站立起來；軍用負重式外骨骼可使士兵在攜帶負載的情況下依舊健步如飛。由此可見，外骨骼機器人既有研究價值，也有很高的實用價值，已成為國內外科學家們研究的一個重點方向，其發(fā)展前景十分廣闊[1]。

1 下肢外骨骼機器人研究現狀

隨著科學技術的發(fā)展，比如在仿生學技術、智能控制技術、傳感器技術和材料技術等相關領域的突破，外骨骼機器人技術的研究也取得了很大的進步[2]。下面簡要介紹下肢外骨骼機器人的研究現狀。

外骨骼機器人主要分為三大類。第一類是助力型外骨骼機器人，主要面向健康人群，提高人的負載能力，用于軍事領域，可增強士兵負重能力。這方面比較成功的是洛克希德·馬丁公司研制出的HULC型外骨骼機器人[3]（如圖1

所示）。它總質量約為32kg，主要通過電池提供能量，蓄電池在充滿電之后可使士兵在負載90kg并以16km/h的速度行駛的情況下行走一個半小時。其特點是模仿人體結構設計而成，機械腿由鈦合金制成，腿部的設計貼合人體運動，從而保證了穿戴者在運動時的安全性和靈活性。

第二類是步態(tài)訓練康復型外骨骼機器人。主要面向下肢運動能力受損患者的康復治療中，使患者通過訓練以達到逐漸恢復下肢運動的能力，實現自主行走。如圖2所示，美國特拉華大學開發(fā)的一款名為ALEX的步態(tài)康復機器人。臨床試驗表明，患者通過ALEX的步態(tài)訓練，行走步態(tài)與正常人相似，在步長以及行走速度上都與正常人非常接近，證明了其有效性[4]。

第三類是下肢運動輔助型外骨骼機器人。這類機器人主要面向喪失下肢運動能力的殘疾人，以幫助他們能夠像正常人那樣站立以及行走。比較典型的是以色列開發(fā)的名為Re Walk外骨骼機器人（如圖3所示）用于幫助下肢癱瘓的殘疾人站立、行走和上下樓梯等動作，它采用機器主動控制，系統的動作不隨人的意愿而改變，穿戴者跟隨機械運動，通過一副拐杖來維持自身的平衡。實驗研究表明，患者通過該產品經過訓練可以實現站立、行走動作，其生活質量得到了很大的改善。

2 下肢外骨骼機器人研究關鍵技術

下肢外骨骼機器人技術涉及到機電工程、材料學、人機智能、自動控制、機器人學、信息處理、驅動技術等學科領域，是一種典型的人機一體化系統。主要有以下一些關鍵技術：

（1）機械結構設計的合理性。具體體現在外骨骼機械結構和自由度的設計應與人體骨骼結構和關節(jié)運動自由度相匹配，以保證穿戴者的安全性及操作靈活性，同時外骨骼機器人還應具有一定的可調性，可根據穿戴者體形的不同進行調整，使人穿戴舒適。

（2）控制的智能性。下肢外骨骼機器人要實現人-機系統協調控制必須具有高度智能性。外骨骼機器人跟隨人的肢體運動，要能夠快速準確感知肢體的運動趨勢，并能預判穿戴者的運動意圖，做出合理的運動規(guī)劃，保證系統平穩(wěn)可靠。

（3）驅動的安全高效性。下肢外骨骼機器人不僅要承受穿戴者以及自身的重量，還要與穿戴者動作保持一致，驅動設計應滿足結構緊湊、動力充足、體積小、效率高、質量輕、響應快和高安全性等要求。

（4）材料的選擇。外骨骼機器人在設計選材時，在滿足機械結構剛度和強度的前提下，選擇質量輕便的材料，以便使人輕簡便攜。

3 下肢外骨骼機器人驅動系統類型

國內外專家學者已對外骨骼機器人進行了大量研究，并設計出多種外骨骼機器人驅動系統，應用在的下肢外骨骼機器人驅動方式常見的有液壓驅動、氣壓驅動、電機驅動等[5]。

3.1 下肢外骨骼機器人液壓驅動

常用的液壓驅動方式是將外骨骼機器人的髖部、大腿和小腿分別與液壓缸相連，通過液壓缸的伸縮控制大小腿的運動，實現行走功能。典型的結構有美國加州大學研發(fā)的BLEEX外骨骼機器人、洛克希德·馬丁公司的HULC外骨骼機器人均采用液壓驅動。

3.2 下肢外骨骼機器人氣壓驅動

氣壓驅動與液壓驅動原理類似，外骨骼機器人的髖部、大腿、小腿分別與氣缸相連，通過氣缸的伸縮控制外骨骼機器人大小腿的運動，實現行走功能。國內浙江大學研發(fā)的下肢康復醫(yī)療外骨骼機器人采用氣壓驅動方式[6]。

3.3 下肢外骨骼機器人電機驅動

目前，下肢外骨骼機器人使用電機驅動的方式主要有兩種[7]。一種是將電動機直接安裝在機器人的旋轉關節(jié)上，利用電動機轉子的旋轉驅動各關節(jié)的轉動。另一種是利用電動推桿驅動，電動推桿主要由電機和滾珠絲杠組成，將電動推桿兩端與外骨骼相連，電動機驅動滾珠絲杠上的螺母旋轉，螺母與絲杠螺旋配合，螺母轉動促使絲杠做直線運動，從而使機器人大小腿實現模仿人體運動。如中國科學技術大學研制的可穿戴型助力機器人采用電機驅動[8]。

4 外骨骼機器人驅動系統對比分析

液壓驅動傳動平穩(wěn)，結構緊湊、慣性小，易控制。但是液壓傳動對液壓油溫度的變化較敏感，并且會發(fā)生一定程度的漏油，易污染環(huán)境，傳動過程中不能嚴格保證傳動比，使用效率低。液壓驅動大多用于抗震救災和士兵作戰(zhàn)等用途的外骨骼機器人，其承受負載較大。

氣壓驅動與液壓驅動原理類似，其優(yōu)點是使用安全、介質不產生污染、工作壓力低； 缺點是由于空氣具有可壓縮性，導致運動速度易發(fā)生變化，不利于精確控制其速度及位置，一般多用于小功率傳動。

電機驅動系統結構簡單、響應快，效率高、使用維護方便。但若外骨骼機器人要求較大的動力驅動，則相應電動機尺寸也會偏大，不利于外骨骼機器人整體的輕量化，而且也會影響機構的平衡性。電機驅動大多用于負載作用小，起康復作用的外骨骼機器人上。

5 結束語

隨著機器人技術及其它相關學科領域的不斷創(chuàng)新與研究，外骨骼機器人將為人們提供更好的服務，高度智能化、微型化、安全可靠以及柔性化將是外骨骼機器人未來的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1]尹軍茂.穿戴式下肢外骨骼機構分析與設計[D].北京工業(yè)大學，2010.

[2]李會營，王惠源，張鵬軍，等.外骨骼機器人發(fā)展趨勢研究[J].機械工程師，2011（08）：9-10.

[3]H.KAZEROONI. HUMAN AUGMENTATION AND EXOSKELETON SYSTEMS IN BERKELEY[J]. International Journal of Humanoid Robotics， 2007， 4（03）：575-605

[4]Banala S K， Agrawal S K， Kim S H， et al. Novel Gait Adaptation and Neuromotor Training Results Using an Active Leg Exoskeleton[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2010， 15（2）：216-225.

[5]劉會勇，趙青.下肢外骨骼助行機器人驅動系統分析[J].機床與壓，2013，41（13）：168-171.

[6]張欣.下肢康復醫(yī)療外骨骼氣動控制系統的設計和實驗研究[D].浙江大學，2009.

[7]張增峰，陳煒，李浩，等.外骨骼機器人驅動方式的研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2016，37（08）：126-129.

[8]陳峰.可穿戴型助力機器人技術研究[D].中國科學技術大學，2007.