面向上肢的外骨骼驅(qū)動(dòng)器綜述

丁志遠(yuǎn) 方禮賢 陳浩 任雨菲 楊雨昕

摘 要：首先闡述了上肢外骨骼研究的背景和意義；接著總結(jié)了國(guó)內(nèi)外上肢外骨骼的研究現(xiàn)狀，分析了幾種典型的上肢外骨骼助力器的特性和功能；然后從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)兩方面分析了上肢外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，再以彈性驅(qū)動(dòng)器為例介紹了仿生驅(qū)動(dòng)器的概念；最后結(jié)合人工智能技術(shù)，對(duì)上肢外骨骼的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：仿生驅(qū)動(dòng)器；上肢外骨骼；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）19-0035-04

Abstract： Firstly， the background and significance of upper limb exoskeleton research are described， the research status of upper limb exoskeleton at home and abroad is summarized， and the characteristics and functions of several typical upper limb exoskeleton boosters are analyzed. Then， the design key points of the upper limb exoskeleton robot are analyzed from two aspects of mechanism design and drive design， and the concept of bionic driver is introduced by taking the elastic driver as an example. Finally， using artificial intelligence technology， the development prospect of upper limb exoskeleton is prospected.

Keywords： bionic driver； upper limb exoskeleton； robot

引言

隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步和物質(zhì)的豐富，人類的平均壽命在不斷延長(zhǎng)，人口老齡化在加劇，老年人的健康漸漸成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。在威脅老年人健康的眾多疾病中，中風(fēng)因其高發(fā)病率、高死亡率和高復(fù)發(fā)率成為了最具威脅的一種。醫(yī)療科技的進(jìn)步使得中風(fēng)的死亡率大幅下降，偏癱后遺癥[1]患者數(shù)目卻無(wú)可避免地在增加。臨床試驗(yàn)證明，除了手術(shù)和藥物治療外，康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練有助于偏癱患者在大腦中樞與肢體運(yùn)動(dòng)控制之間重新建立有效聯(lián)系[2]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

上肢外骨骼驅(qū)動(dòng)器首次受到科研人員關(guān)注可追溯到上世界60年代至70年代，一直到20世紀(jì)的80年代，上肢驅(qū)動(dòng)器的研究一直停留在起步階段。隨后，越來(lái)越多的科研工作者積極投身于這個(gè)領(lǐng)域，到20世紀(jì)90年代，該領(lǐng)域的研究正式進(jìn)入全面發(fā)展階段。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2006年，University of Washington設(shè)計(jì)出了一種由電機(jī)-纜繩-滑輪驅(qū)動(dòng)的上肢康復(fù)機(jī)器人CADEN-7（Cable-Actuated Dexterous Exoskeleton for Neurorehabilitation），如圖1所示。該驅(qū)動(dòng)器基于人體工學(xué)設(shè)計(jì)，能夠?qū)纭⒅庖约巴笕齻€(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練[3]。

美國(guó)Arizona State University的Thomas Sugar等人設(shè)計(jì)一種以氣動(dòng)肌肉作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的康復(fù)機(jī)器人RUPERT（Robot Upper Extremity Repetitive Therapy Device），如圖2所示。第一代RUPERT能夠?qū)?、肘以及腕三個(gè)關(guān)節(jié)的四個(gè)自由度進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，但因?yàn)闅鈩?dòng)肌肉只能提供單方向的動(dòng)力，因此關(guān)節(jié)往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的返程運(yùn)動(dòng)仍需手工外力進(jìn)行干預(yù)；第二代的RUPERT相較于第一代，在整體結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了改良，面向體征不同的患者，設(shè)計(jì)了能夠?qū)㈥P(guān)節(jié)中心和上肢臂長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整的構(gòu)件；第三代采用了新型石墨復(fù)合材料，使結(jié)構(gòu)更為輕便；到第四代，通過(guò)安裝在機(jī)器臂上角位移、力矩和壓力這三個(gè)傳感器檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能夠精確控制和記錄訓(xùn)練參數(shù)，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練的優(yōu)化[4]。

日本的筑波大學(xué)所開(kāi)發(fā)的HAL系列[5]是目前世界上較成功的商品化康復(fù)機(jī)器人。其本質(zhì)是一種與身體捆綁的行走用機(jī)器人。當(dāng)使用者試圖行走時(shí)，大腦會(huì)通過(guò)肌肉電流信號(hào)（EMG），體表傳感器檢測(cè)到這種電信號(hào)之后，激活HAL的伺服系統(tǒng)，以此增強(qiáng)行走的強(qiáng)度和抗干擾性。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在此領(lǐng)域的研究起步較晚，且大多數(shù)為學(xué)校等科研機(jī)構(gòu)，進(jìn)行相關(guān)研究的企業(yè)很少。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)科研工作者的不斷努力，我國(guó)也研究出一系列具有價(jià)值的上肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。

上海交通大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了兩代上肢機(jī)器人外骨骼，如圖4所示。該機(jī)構(gòu)圍繞人體上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠模擬上肢的七個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有效助力。

華中科技大學(xué)研究人員提出了一種以氣動(dòng)肌肉作為動(dòng)力的上肢外骨骼機(jī)器人[7]，如圖5所示。采用氣動(dòng)肌肉作為動(dòng)力源，能夠使輸出和輔助矯正更加柔和，避免了剛性康復(fù)外骨骼對(duì)患者的二次傷害，同時(shí)氣動(dòng)動(dòng)力滿足了康復(fù)訓(xùn)練所需要的強(qiáng)度。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究項(xiàng)目以心肺復(fù)蘇為主，康復(fù)訓(xùn)練為輔，選用電機(jī)作為動(dòng)力源，設(shè)計(jì)出一種基于肌電流信號(hào)的上肢助力驅(qū)動(dòng)器[8]，如圖6所示。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的上肢康復(fù)機(jī)器人能夠在完成康復(fù)訓(xùn)練中往返運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，保證運(yùn)動(dòng)的高精度。同時(shí)電機(jī)也方便采集記錄電機(jī)角度，對(duì)康復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)反饋，具有效率高、污染小和高精度的特點(diǎn)。

2 上肢外骨骼驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

2.1 上肢外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，大多數(shù)上肢助力機(jī)器人以康復(fù)領(lǐng)域的外骨骼為主，驅(qū)動(dòng)功率低，驅(qū)動(dòng)數(shù)量更少。但因其特殊的醫(yī)療康復(fù)使用工況，因此其設(shè)計(jì)不僅要滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求，也要滿足醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)使用需求，具體要求包括：（1）安全性；（2）運(yùn)動(dòng)功能性；（3）結(jié)構(gòu)性要求；（4）康復(fù)效果和舒適性。

外骨骼助力器要想實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程的舒適性，就必須從人體的生物學(xué)出發(fā)，全面地對(duì)肢體各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，盡可能使所設(shè)計(jì)的外骨骼更符合人體結(jié)構(gòu)，從而使使用者穿戴安全舒適、動(dòng)作靈活不受限制。因此，外骨骼的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足以下幾點(diǎn)：（1）外骨骼應(yīng)可能遵循仿生原則，在尺寸、參數(shù)方面需參考人體；（2）上肢外骨骼的各個(gè)關(guān)節(jié)都應(yīng)對(duì)應(yīng)人體相應(yīng)關(guān)節(jié)，如圖7人體上肢解剖圖所示；（3）外骨骼要保證有一定的運(yùn)動(dòng)范圍，既能保證不限制人體運(yùn)動(dòng)，又能確保動(dòng)作的安全。

2.2 上肢外骨骼的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

當(dāng)下大多數(shù)機(jī)器人都采用液壓、氣壓、電機(jī)這三種動(dòng)力供應(yīng)方式或混合動(dòng)力供應(yīng)。

2.2.1 液壓驅(qū)動(dòng)

液壓驅(qū)動(dòng)的工作原理為由液壓缸對(duì)液體增壓，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力，再由液壓缸對(duì)外做功。它的優(yōu)點(diǎn)是力矩大、精度高和響應(yīng)快，多用于大型起重設(shè)備。但也存在液壓油易泄露、對(duì)工況要求高以及整體結(jié)構(gòu)笨重的缺點(diǎn)，因此不適用與穿戴型上肢外骨骼機(jī)器人，多用于大型外骨骼設(shè)備。

2.2.2 氣壓驅(qū)動(dòng)

氣壓驅(qū)動(dòng)的工作原理與液壓驅(qū)動(dòng)類似，因?yàn)樾枰鋫錃庠磳?duì)氣體進(jìn)行壓縮，故系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中存在噪音大和穩(wěn)定性差的缺陷，因此也不適用大多數(shù)穿戴型上肢外骨骼。

2.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)只需要購(gòu)買(mǎi)電源和電機(jī)，電機(jī)購(gòu)買(mǎi)、使用、控制和參數(shù)反饋都更為便捷。污染小、信號(hào)傳遞簡(jiǎn)單以及結(jié)構(gòu)輕便，使得電機(jī)成為了在設(shè)計(jì)上肢外骨骼機(jī)器人的首選。商品化最成功的的日本筑波大學(xué)外骨骼機(jī)器人HAL系列便是采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2.3 彈性驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)的研究大多實(shí)現(xiàn)了上肢外骨骼助力器安全和小體積的需求，越來(lái)越多的研究人員將目光轉(zhuǎn)移到外骨骼舒適度特性上。

要想達(dá)到最佳的康復(fù)效果，需要使康復(fù)系統(tǒng)的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，其力學(xué)特性也要盡量接近人體肌肉的力學(xué)特性，這種力學(xué)特性包括柔性的抗沖擊能力和剛性的輸出負(fù)載能力。傳統(tǒng)剛性驅(qū)動(dòng)器具有出色的位置控制和速度控制，彈性驅(qū)動(dòng)器正是在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器中引入彈性元件而設(shè)計(jì)（如圖8所示）。電機(jī)仿生人體骨骼作為剛性輸出，彈性元件模擬肌肉作對(duì)外來(lái)負(fù)載的緩沖，最大程度的達(dá)到了仿生的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

外骨骼機(jī)器人在軍事、生活和醫(yī)療等領(lǐng)域擁有著廣闊的發(fā)展前景，逐漸引起了各界的重視，近年來(lái)隨著高校等機(jī)構(gòu)投入的增加，諸如柔性安全、噪音和舒適度差等技術(shù)難題都得到了突破性的進(jìn)展，但仍有很多問(wèn)題亟待解決：（1）商品化康復(fù)機(jī)器人體積笨重、造價(jià)昂貴，很難進(jìn)入平民化醫(yī)療水平；（2）外骨骼的能源利用效率轉(zhuǎn)化率較低；（3）與使用者預(yù)期的運(yùn)動(dòng)擬合度不高；（4）外骨骼機(jī)器人自適應(yīng)能力較弱，無(wú)法進(jìn)行自學(xué)習(xí)。人工智能技術(shù)的興起，或許在不久的將來(lái)就能夠?qū)⒅悄芗夹g(shù)嵌入上肢外骨骼機(jī)器人之中。通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)外骨骼運(yùn)動(dòng)的參數(shù)進(jìn)行分析并預(yù)測(cè)，或可加強(qiáng)外骨骼機(jī)器人的自學(xué)習(xí)能力。

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的重視，上肢外骨骼將廣泛應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)方面。

參考文獻(xiàn)：

[1]王隴德，劉建民，楊弋，等.《中國(guó)腦卒中防治報(bào)告2017》概要[J].中國(guó)腦血管病雜志，2018，15（11）：611-616.

[2]陸立威，朱東暉.康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練對(duì)偏癱患者上肢功能及日常生活活動(dòng)能力的影響[J].醫(yī)藥前沿，2018，8（8）：383-384.

[3]Perry J C， Rosen J， Member， et al. Upper-Limb Powered Exoskeleton Design[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2007，12（4）：408-417.

[4]Balasubramanian S， Wei R， Perez M， et al. RUPERT： An exoskeleton robot for assisting rehabilitation of arm functions[C]// Virtual Rehabilitation， 2008. IEEE， 2008.

[5]Hayashi T， Kawamoto H， Sankai Y. Control method of robot suit HAL working as operator's muscle using biological and dynamical information[C]// Intelligent Robots and Systems， 2005. （IROS 2005）.2005 IEEE/RSJ International Conference on. IEEE， 2005.

[6]王源.外骨骼上肢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)康復(fù)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練與評(píng)價(jià)研究[D].上海交通大學(xué).

[7]吳軍.上肢康復(fù)機(jī)器人及相關(guān)控制問(wèn)題研究[D].華中科技大學(xué).

[8]陳燕燕.上肢外骨骼機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué).

[9]Zoss A B， Kazerooni H， Chu A. Biomechanical design of the Berkeley lower extremity exoskeleton（BLEEX）[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2006，11（2）：128-138.

[10]Bekey G A. Springer Handbook of Robotics （B. Siciliano and O. Khatib； 2008） [Book Review][J]. Robotics & Automation Magazine IEEE， 2008，15（3）：110-110.