人體外骨骼裝置國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及意義

白旭東 張華棟 原振

西安文理學(xué)院

一、綜述

人工智能時代的進步給人們的日常工作和生活帶來了巨大的變化，其外骨骼輔助機器人概念則是在此時代背景下逐漸成熟發(fā)展的；外骨骼輔助機器人是一種可穿戴的機械裝置，其在助力、助老、助殘及軍事領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、生命健康等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景，外骨骼機器人是將外部機械動力裝置的機械能與智能結(jié)合起來，綜合運用了人機工程學(xué)、機械動力學(xué)、仿生學(xué)、機器人學(xué)及智能化等領(lǐng)域的相關(guān)知識。最初的研究目的主要是用于軍事領(lǐng)域，其目的是提高士兵的作戰(zhàn)能力與提高人體機能，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

二、外骨骼裝置（機器人）的功用

其外骨骼（external skeleton）是一種結(jié)合了人類智能和機器人機械能的堅硬的外部結(jié)構(gòu)，為生物提供保護和支持，是一“人”、“機”結(jié)合（Combination of "people"and "machine"）穿戴裝置，也稱“可穿戴的機器人”。

外骨骼機器人技術(shù)在許多領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。結(jié)合HALS（混合輔助肢體系統(tǒng)），其在軍事領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域均應(yīng)用廣泛，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，外骨骼機器人可以用于幫助殘疾人、老年人及下肢肌肉無力患者行走，也可幫助他們進行強迫性康復(fù)鍛煉，具有良好的發(fā)展前景。

三、外骨骼機器人主要分類

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如仿生技術(shù)、人工智能技術(shù)、智能控制技術(shù)、主動控制系統(tǒng)、運動神經(jīng)元系統(tǒng)及傳感器技術(shù)、材料技術(shù)等都取得了突破，外骨骼機器人技術(shù)的研究也取得了很大進展，出現(xiàn)了日本駐波大學(xué)（University of Tsukuba）HAL-5系統(tǒng)及美國通用研發(fā)的Hardiman著名系統(tǒng)等等。外骨骼系統(tǒng)下面簡要介紹了下肢外骨骼機器人的分類與研究現(xiàn)狀。

外骨骼機器人分為三大類。第一類是輔助外骨骼機器人，主要針對健康人，可以提高人的負(fù)重能力；用于軍事領(lǐng)域，可以提高士兵的單兵作戰(zhàn)能力等。

第二類是步態(tài)訓(xùn)練和康復(fù)的外骨骼機器人。主要用于醫(yī)療領(lǐng)域，針對下肢運動能力受損的患者進行康復(fù)治療，使患者通過訓(xùn)練逐步恢復(fù)下肢運動能力，實現(xiàn)自主行走。

第三類是下肢運動輔助外骨骼機器人。這些機器人的目標(biāo)是那些失去了移動下肢能力的殘疾人，幫助他們像正常人一樣站立和行走。

四、關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀

外骨骼輔助機器人的發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。機械結(jié)構(gòu)技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、控制技術(shù)、人機交互和安全技術(shù)的不斷改進，推動了外骨骼輔助機器人的轉(zhuǎn)型。

（一）機械結(jié)構(gòu)技術(shù)

機械結(jié)構(gòu)采用仿生設(shè)計。首先，分析人體的運動機理。在此基礎(chǔ)上，完成自由度的選擇、自由度的分配和關(guān)節(jié)機構(gòu)的設(shè)計，目的是最大限度地模擬人體運動功能，結(jié)合人機工學(xué)使之能與人體相匹配。由于每個人的身高和體重都不同，所以外骨骼助推器機器人的尺寸在某種程度上是可以調(diào)整的；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足輕、硬、舒適、穩(wěn)定、方便、安全的特點；外骨骼輔助機器人不僅要有較小的質(zhì)量，減少穿戴后人體所需的負(fù)擔(dān)，而且還必須滿足人體支撐的要求。

（二）驅(qū)動技術(shù)

外骨骼助推器機器人的驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)滿足重量輕、體積小的特點，并能提供滿足要求的輸出扭矩或扭力，且效率高。為此，國內(nèi)可穿戴機器人的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、電機驅(qū)動、氣動驅(qū)動和人工肌肉驅(qū)動。

五、發(fā)展趨勢

隨著人機耦合技術(shù)在外骨骼機器人研究與開發(fā)中的進一步發(fā)展，目前隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)、人機工學(xué)、仿生學(xué)的發(fā)展，其將更加準(zhǔn)確、快速，智能，微型，“人”、“機”耦合程度更高，進一步提高外骨骼系統(tǒng)的智能化水平，模塊化設(shè)計與人機耦合技術(shù)進一步發(fā)展將使未來外骨骼機器人系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用得到更為廣泛。

結(jié)語：外骨骼機器人是一基于時代背景及廣泛需求并具備良好前景與發(fā)展趨勢的新興技術(shù)。綜合運用人機工學(xué)，人工智能技術(shù)等以提高普通士兵的能力，達到減少人員傷亡的情況，提高殘疾人的生活質(zhì)量，用于抗震救災(zāi)等目的，其是一種可穿戴的機器人，運用仿生學(xué)模擬昆蟲的外骨骼，能為人體提供保護和能量。目前，外骨骼機器人正朝著智能化、微型化、安全性與舒適性的保障提升的方向發(fā)展，具有廣闊的發(fā)展前景。