助力型人體下肢外骨骼研究綜述

李 楊，李 仲，管小榮，徐 誠

(1.泰州學院船舶與機電工程學院，江蘇 泰州 225300)(2.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

從20世紀60年代起，世界范圍內就有多個研究機構開始研究人體外骨骼系統(tǒng)。人體外骨骼系統(tǒng)的發(fā)展主要有兩個分支：一種是用于輔助殘疾人行走的醫(yī)療型人體外骨骼[1-2]，此種人體外骨骼的研制相對而言較為簡單，也取得了較多成果；另一種是用于增強正常人體負荷能力的助力型人體外骨骼，主要用于軍事領域，目前正處在研究發(fā)展階段，其樣機離實際應用還存在較大差距，本文主要側重于此種外骨骼的討論。

隨著軍事技術的革新，單兵作為戰(zhàn)爭的主體，其攜行需求越來越多。然而，士兵的負重能力有限，這嚴重制約了士兵的攜行能力及機動能力[3]。20世紀60年代，美國通用電氣公司就推出了哈迪曼(Hardiman) 穿戴式助力外骨骼樣機[4]。但是受限于當時比較落后的科學技術，制造出來的外骨骼樣機各方面性能都難以達到要求。在美國軍方的支持下，1978年麻省理工學院(MIT)開始了助力型外骨骼的改進工作。美國五角大樓在2000年發(fā)出了單兵助力外骨骼的研制計劃書，加州大學伯克利分校機器人和人體工程實驗室、薩克斯公司等多家機構都開啟了助力外骨骼的研究工作[5-7]。加州大學伯克利分校于2004年推出了其第一代助力外骨骼樣機BLEEX[6-7]。隨后， Kazerooni帶領的團隊[8-10]又相繼開發(fā)了第二代助力外骨骼(ExoHiker和ExoClimber)和第三代助力外骨骼(HULC)。美國雷神(Raython)公司旗下的SARCOS公司也已經(jīng)開發(fā)了兩代XOS系列助力外骨骼樣機，旨在提高士兵的負重行軍速度，并且能夠進行較方便地穿脫[11]。2011年，法國在國際軍警保安器材展上展出了助力外骨骼HERCULE[12]。日本在助老和助殘外骨骼方面的研究占據(jù)領先地位，日本筑波大學研發(fā)的HAL系列外骨骼樣機已經(jīng)于2017年12月17日獲得美國食品和藥物監(jiān)督管理局批準[13-14]。新加坡南洋理工大學(NTU)Low教授等[15]開發(fā)了基于ZMP穩(wěn)定判據(jù)的人體下肢助力外骨骼LEE(lower extremity exoskeleton)。較為人所熟知的，是在2014年巴西世界杯由巴西南里奧格蘭德聯(lián)邦大學展示的使用腦電波控制的外骨骼樣機[16]。雖然國外在醫(yī)療外骨骼方面取得了較多成果，但助力外骨骼的研究則相對停滯，進展緩慢。

與國外類似，國內進行的助老和助殘方面的醫(yī)療型人體外骨骼系統(tǒng)研究較為成熟，而助力型人體外骨骼方面的研究則進展仍然緩慢。2015年之前，中科院合肥智能機械研究所的余永、葛運建團隊開發(fā)了電機驅動和電缸驅動兩種外骨骼樣機，并進行了外骨骼的信息采集及步態(tài)分析等研究[14]。浙江大學的陳鷹、楊燦軍團隊主要進行了醫(yī)療康復方面外骨骼的研究和開發(fā)[17]。海軍航空工程學院的楊智勇、楊秀霞等[18-19]也對助力外骨骼進行了系統(tǒng)研究，并開發(fā)了多種驅動方式、多種控制方案的樣機。哈爾濱工業(yè)大學的朱延河等[20]開發(fā)的助力外骨骼其每條腿具有6個自由度，可以實現(xiàn)對其中的膝關節(jié)自由度、髖關節(jié)屈伸自由度及髖關節(jié)內收外展自由度共3個自由度進行驅動。此外，上海交通大學[21]、南京理工大學[22-23]等高校都進行了一定的外骨骼理論及實驗方面的研究。2015年之后，助力型外骨骼系統(tǒng)得到了軍方的重大關注，于2015年舉辦了穿戴式外骨骼助力裝備挑戰(zhàn)賽。中國兵器裝備集團研究所[24-25]、總后軍需裝備研究所、哈爾濱工業(yè)大學[20]、海軍航空工程學院[26]等國內多家研究機構研制的15套外骨骼助力裝置樣機參與比賽。由比賽過程來看，絕大部分外骨骼樣機的最大問題都出在人體與外骨骼的協(xié)調性上。而取得較好成績的中國兵器裝備集團研究所及海軍航空工程學院研制的樣機只對外骨骼的膝關節(jié)進行了驅動，因而能夠大大降低控制難度，取得了相對較好的人機協(xié)調性，但可想而知由于驅動關節(jié)較少導致其助力效果并不優(yōu)越?？傮w而言，國內的助力型外骨骼裝置研究已經(jīng)取得一定成果，并研制出了不少的外骨骼樣機，但是國內的助力型外骨骼樣機離實用還有較大距離。

1 外骨骼系統(tǒng)總體分析

與人體的骨骼、肌肉、大腦、神經(jīng)相對應，助力型人體外骨骼系統(tǒng)包括機械系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng),如圖1所示。控制系統(tǒng)與人大腦的作用類似，負責信息處理和控制命令的發(fā)出；驅動系統(tǒng)與人體的肌肉類似，負責控制命令的執(zhí)行；機械系統(tǒng)與人體骨骼類似，負責載荷的承載和傳遞；感知系統(tǒng)與人體神經(jīng)類似，負責信息的采集與感知。4個分系統(tǒng)協(xié)調動作，在人體負重前行時，外骨骼能夠及時向穿戴者提供助力，降低能量消耗[22]。

圖1 外骨骼與人體類比示意圖

2 機械系統(tǒng)分析

機械系統(tǒng)是外骨骼4個子系統(tǒng)中最基礎的部分，它一方面是其他分系統(tǒng)的安裝平臺，另一方面用于承載整個外骨骼系統(tǒng)的總體重力。

由于助力型人體外骨骼需要穿戴于人體，因此在外骨骼結構上必然會采用一些擬人化設計。故而外骨骼機械系統(tǒng)的設計必須建立在人體下肢運動生物力學分析的基礎上，其中外骨骼結構尺寸分析、關節(jié)自由度分析及驅動自由度選擇等研究內容是外骨骼機械系統(tǒng)設計分析的主要工作。

2.1 結構尺寸分析

人體質量及轉動慣量等慣性參數(shù)對外骨骼的設計影響不大，影響外骨骼結構尺寸設計的是長度與圍度參數(shù)。人體各部分肢體的長度與身高大約成一定的比例關系(如圖2所示)[26-27]。對于身高在160～180 cm的不同人體，大腿、小腿的差異大約為6 cm[28]。在設計外骨骼時需要考慮其對以上不同身高體重的人體的適應性，因此最好設計具有可以調節(jié)大腿長度、小腿長度及腰部寬度的外骨骼結構[29]。

圖2 人肢體與身高關系圖

2.2 關節(jié)自由度分析

人體下肢運動是由髖關節(jié)、膝關節(jié)及踝關節(jié)連接的盆骨、大腿、小腿及腳的運動實現(xiàn)的[30]。常用的人體坐標系定義如圖3所示，而人體在直立狀態(tài)下，關節(jié)繞冠狀軸的旋轉，稱作“屈伸”；繞矢狀軸的旋轉稱作“內收/外展”；繞垂直軸的旋轉稱作“內旋/外旋”[6,25]。人體髖關節(jié)和踝關節(jié)可以當作3自由度的球副，而膝關節(jié)類似于單自由度的轉動副。由此可知，人體下肢起主要驅動作用的自由度為每條腿7個，共14個自由度。

機械系統(tǒng)需要穿戴于人體，因此人體舒適性是外骨骼機械結構設計的重中之重，因為離開人體舒適性，外骨骼即使能夠起到助力效果也沒有意義。從仿生學來講，機械結構的自由度設計如果跟人體完全一致，那么外骨骼的動作就可以做到與穿戴者相互協(xié)調，然而機械結構所設計的自由度越少，外骨骼的運動控制將會越簡便，所以簡便的控制方案和較好的人體舒適性是不可兼得的。因此，不同研究者根據(jù)不同需求所設計的下肢外骨骼的關節(jié)自由度不盡相同。

圖3 人體坐標系示意圖

雖然不同外骨骼樣機選擇的自由度不同，但固定關節(jié)自由度的運動范圍卻基本相似，大致范圍見表1[28]。在進行外骨骼結構設計時，應該在驅動裝置運動范圍許可的情況下盡量滿足以上人體的運動自由度范圍。

表1 人體下肢各主要關節(jié)運動范圍

2.3 驅動自由度的選擇

人體運動前進的動力主要由下肢的關節(jié)屈伸自由度提供，而內收/外展自由度主要用于保持人體平衡，內旋/外旋主要用于實現(xiàn)人體的轉體、行走時轉彎。人體在行走時，大部分能量是由驅動髖關節(jié)屈伸、膝關節(jié)屈伸及踝關節(jié)屈伸的肌肉提供的，其中膝關節(jié)耗能最多。

選擇驅動哪些關節(jié)自由度一直是外骨骼研究者所要重點考慮的問題，不同研究者的選擇各有不同。目前的主流外骨骼樣機只選擇針對外骨骼屈伸關節(jié)自由度中的某個或某些進行驅動，因為哪怕只驅動一個外骨骼關節(jié)的自由度，外骨骼也能多多少少實現(xiàn)一定的助力效果。

2.4 人體異構型外骨骼結構

絕大多數(shù)研究者在進行外骨骼結構設計時都會選擇盡量與人體類似的結構，然而也存在一些人體異構型的外骨骼設計。

上海交通大學的高峰老師團隊設計了一種剪刀型腿部結構如圖4所示。這種結構新奇巧妙，大大顛覆了大家對外骨骼結構的傳統(tǒng)觀念[21]。

圖4 剪刀型下肢外骨骼結構示意圖

南京理工大學徐誠老師的團隊設計了一種平動膝關節(jié)的外骨骼結構，并使用多體動力學軟件ADAMS進行仿真，分析了其結構在背負100 kg負載時能夠降低58.6%左右的能量消耗，起到一定助力效果[23]。

從外骨骼的本質而言，其只是一個幫助人體背負負荷的機電系統(tǒng)。由于外骨骼需要穿戴于人體從而使得絕大多數(shù)研究者將其視為仿人形機器人，因而很多研究者會帶入一些仿人形機器人研究設計的固定思維。然而，如以上人體異構型外骨骼結構的新奇設計也不失為外骨骼探索的一種好思路。

3 驅動系統(tǒng)分析

3.1 驅動系統(tǒng)要求

助力型人體外骨骼主要用于為士兵提供助力，由于士兵在行軍時需要背負大量物資，因此外骨骼驅動系統(tǒng)的功率要足夠大。外骨骼不僅需要為士兵提供助力，還需要支撐其自身的重力，因此外骨骼的所有分系統(tǒng)自重都應該盡量小。此外，士兵行軍的環(huán)境較為惡劣，因此外骨骼的驅動系統(tǒng)需要具有較強的環(huán)境適應性，否則外骨骼的驅動系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境下極有可能失效，驅動系統(tǒng)一旦失效，外骨骼不僅起不到助力效果，還會妨礙士兵的正常行走[22]。

3.2 驅動器選擇

就目前工業(yè)中廣泛采用的驅動系統(tǒng)而言，與仿人機器人相類似，外骨骼的關節(jié)驅動方式主要有伺服電機驅動、液壓驅動、氣缸驅動、氣動肌肉驅動等方式。

1)伺服電機驅動。由于市場上銷售的高性能伺服電機大多是高轉速、低扭矩，因此為了實現(xiàn)低轉速、高扭矩，目前諧波減速機構在仿人機器人上得到了廣泛應用，其不單體積小、質量小，而且可按照幾乎沒有間隙的目標值進行控制[31]。對于伺服電機驅動，最直接的方法是將電機減速器直接安裝在外骨骼轉動關節(jié)處，這樣的布局簡單方便，但是會增大關節(jié)轉動慣量。此外，還有使用電機減速器配合同步帶、齒輪、滾珠絲杠以及拉索等方法來實現(xiàn)對外骨骼關節(jié)的驅動。這些方法相對電機減速器直接驅動的方法而言，布局更加靈活，但是傳遞效率略有下降、傳動精度略有降低。

2)液壓驅動。液壓驅動的特點是轉矩與慣性比大(單位質量的輸出功率高)，液壓驅動器有平動型(液壓缸)和旋轉型(液壓馬達)兩種。液壓驅動方式的優(yōu)點是輸出功率大，不需要減速機構，可承受機械沖擊和損傷的能力強，力保持性可靠。缺點是液壓系統(tǒng)容易漏油，另外還必須配置液壓源[32]。

3)氣缸驅動。氣缸驅動與液壓缸驅動較為類似，并且傳遞介質可以直接使用空氣，因此相對于液壓缸來講，要輕便許多并且清潔無污染。但是由于氣體的可壓縮性，氣缸的運行平穩(wěn)性、控制精確性及控制響應速度都較差[31]，并且氣缸驅動噪聲也比較大。

4)氣動肌肉驅動。氣動肌肉是一種具有類似人類肌肉輸出特性的柔性執(zhí)行器，它是根據(jù)人類肌肉的運動原理設計而成。與氣缸類似，氣動肌肉輕便并且清潔無污染，氣動肌肉還具有比氣缸更大的功率體積比及功率質量比。

氣缸的控制精度及響應速度差是其在助力型人體外骨骼中應用較少的原因。由于助力型人體外骨骼需要穿戴于人體，因此需要較為緊湊的布局，而且不能影響人體的運動。氣動肌肉會使關節(jié)結構非常復雜，而且每個關節(jié)需要兩塊氣動肌肉，這會使結構更加龐大，因此氣動肌肉在助力型人體外骨骼中的應用也較少。早期的外骨骼研究者為了高輸出功率，大多選擇液壓驅動，但漏油、需要液壓源等缺點導致現(xiàn)在的外骨骼主流設計者不再選擇此種驅動方式[26]。伺服電機配合諧波減速器、滾柱絲杠等裝置也能實現(xiàn)較高的輸出功率，是目前應用最多的驅動方式。

4 控制系統(tǒng)分析

與傳統(tǒng)機器人類似，人體外骨骼系統(tǒng)是多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)，它具有時變、強耦合和非線性的動力學特性，其控制十分復雜。而外骨骼系統(tǒng)的操作者處于控制回路中，即人在回路中(man in loop)[6-7]。因此，作為一個人機耦合系統(tǒng)，外骨骼的控制需要使人和機器能夠協(xié)調運行。下肢外骨骼常用的控制策略可以分為如下幾種，而在實際的外骨骼控制方案設計中，往往是多種控制策略相結合使用。

4.1 機器人位置控制

在外骨骼研究中有所應用的操作者控制、預編程控制及ZMP(zero moment point，零力矩點)控制可以歸納于傳統(tǒng)機器人的位置(軌跡)控制范疇。位置(軌跡)控制在醫(yī)療型外骨骼中得到了廣泛的應用并獲得了較大成功，但由于位置控制存在難以與正常人體行走相協(xié)調匹配的缺點，并且控制效果并不優(yōu)越。

1)操作者控制。通過手柄、按鈕開關等發(fā)布指令對外骨骼的運動進行控制，需要操作者不停發(fā)布指令。因此不適用于助力型人體外骨骼，主要用于基于康復目的有外部能源驅動的步態(tài)矯正裝置[33-34]

2)預編程控制。由于預先編好的程序并不能適應正常人體行走過程的靈活多變，因此預編程控制一般運用于設計下肢殘疾患者的康復裝置[33]。并且下肢殘疾患者還需要額外使用輔助裝置來保持穩(wěn)定，因而能夠實現(xiàn)的運動形式也十分有限[35]。

3)ZMP控制。ZMP控制是傳統(tǒng)機器人經(jīng)常采用的控制方法，在機器人領域有著廣泛的應用，其在醫(yī)療型外骨骼方面有較多應用，而在助力型外骨骼方面則應用較少。南洋理工大學的Liu等是為數(shù)不多的將ZMP控制方法應用于助力型外骨骼的學者[36]。然而ZMP控制方法實現(xiàn)的機器人行走步態(tài)是一種靜態(tài)行走，而靜態(tài)行走與人體的行走方式相差較大，這勢必導致人體在穿戴外骨骼行走時的不自然與不協(xié)調。

4.2 人體運動軌跡跟蹤控制

通過一定的方法實時檢測分析人體關節(jié)的運動軌跡，從而實時控制外骨骼的關節(jié)實現(xiàn)與人體相一致的運動，這樣的控制方式可以稱為人體運動軌跡跟蹤控制，這應該是助力型外骨骼最直觀的控制方法。這種控制方法可以很好地實現(xiàn)外骨骼運動與人體運動的協(xié)調一致，但這種方法往往需要在人體添加一定的傳感器，極大地影響了助力型外骨骼的人體舒適性，也會導致外骨骼的穿戴極為不便，這往往是絕大多數(shù)助力型外骨骼研究者所不能接受的。因此這種控制方法雖然非常直觀方便，但是在助力型外骨骼中應用較少。

1)肌電控制。肌電控制就是通過實時檢測穿戴者人體的肌電信號(electromyograms, EMG)，從而判斷人體的運動意圖，進而實現(xiàn)對外骨骼運動的控制，使外骨骼與人體的運動能夠協(xié)調一致。將肌電控制方案成功應用于外骨骼的典型樣機是日本的HAL，其還對肌肉的黏彈性特性進行了深入分析，HAL能夠使穿戴者感覺運動起來非常舒適[13]。但是在激烈運動時，肌電傳感器容易脫落、易位，長時間運動后人體出汗會影響傳感器的測量；EMG信號中往往包含很強烈的噪聲，必須經(jīng)過額外的處理才能應用于系統(tǒng)中；傳感器每次都要貼到人體表面，使用不便。

2)腦波控制。與肌電控制相類似，腦波控制主要通過實時檢測穿戴者的腦波信息，從而判斷穿戴者的運動意圖，實現(xiàn)相應的運動。此種控制方法較為先進，在外骨骼中應用較少，如在2014年巴西世界杯上，巴西南里奧格蘭德聯(lián)邦大學就對該類型的外骨骼樣機進行了展示[16]，用于幫助殘疾患者實現(xiàn)簡單的動作。歸根到底腦波控制策略只是對穿戴者運動意圖進行判斷，還需結合傳統(tǒng)機器人的位置控制方法對其驅動器進行軌跡規(guī)劃。

3)主從控制。主從控制一般用于遠程機器人操作系統(tǒng)，目的是令遠方的機器模擬操作者的動作。為了能連續(xù)不斷地捕獲人體的運動，操作者必須穿戴一套主外骨骼裝置。這種方法的目標是通過反饋，控制機器的關節(jié)角度跟蹤相應的人體的關節(jié)角度。這種控制方法不僅要控制終端的位置和方向，而且要控制整個裝置的姿態(tài)[26,33]。這就要求在系統(tǒng)設計時，在從外骨骼的內部預留人和主外骨骼的活動空間，使得系統(tǒng)的設計變得相當復雜，適用于醫(yī)療輔助外骨骼，而與助力型人體外骨骼系統(tǒng)理念不大相符。

4)足底壓力與人體運動步態(tài)映射控制。此種控制方式的主要原理是：通過人體運動捕捉儀器捕捉人體在正常行走過程中的行走步態(tài)(主要是各關節(jié)角度)，同步使用足底壓力鞋墊捕捉人體在正常行走過程中的足底壓力曲線(雙峰曲線)，并建立足底壓力曲線與人體行走步態(tài)的映射關系。實時控制時通過檢測足底壓力并檢索數(shù)據(jù)庫足底壓力特征與行走步態(tài)特征的映射關系，進而通過檢索到的行走步態(tài)對外骨骼關節(jié)角度進行軌跡規(guī)劃控制。韓國漢陽大學的研究是此種控制策略研究的最典型代表[37]，并取得了一定的成果。國內眾多研究者都對這種控制方式有過一定的嘗試，主要存在足底壓力捕捉與人體行走步態(tài)的同步問題，又由于人體行走步態(tài)信號及足底壓力信號較為雜亂無章，至今未能建立較好的相應的映射關系。但此種控制方法仍不失為一種可以繼續(xù)努力實現(xiàn)的可行路徑。

4.3 靈敏度放大控制

助力型外骨骼的控制策略至今一直是其研究的最大難點，Berkeley大學在外骨骼研究領域是全球領先的，靈敏度放大控制器(sensitivity amplification controller)就是為其BLEEX助力型人體外骨骼專門設計的一種獨特的控制方法，此控制方法以前從未應用于任何傳統(tǒng)機器人系統(tǒng)。該方法不需要在人機之間安裝任何傳感器，同時又能控制外骨骼跟隨操作者的運動[4-5]。該方法通過數(shù)學模型進行外骨骼的逆向動力學求解，從而預判出外骨骼的運動意圖。然而像外骨骼這樣的多自由度、多剛體非線性系統(tǒng)，它的數(shù)學模型的建立需要花費大量的精力并且難以精確。另外，在此控制方法下，外骨骼無法區(qū)分外部干擾和人體運動意圖，外部干擾會使外骨骼的運動極度不穩(wěn)定。因此，為了既能夠響應低頻率的人體正常行走動作，又能夠響應高頻率的人體抵抗干擾的動作，外骨骼系統(tǒng)需要一個很寬的控制帶寬[7]。

4.4 機器人力控制

機器人在受限空間運動的控制與在自由空間運動的控制相比，主要是增加了對其作用端與外界接觸作用力(包括力矩)的控制要求，因而受限運動的控制一般稱為力控制。由于在受限空間，改變運動軌線的同時會改變作用力的大小，而控制既要求機器人沿一定的軌線運動又要求作用力在一定的范圍內，這使兩者成為一個矛盾體的兩個方面，控制時必須兼而顧之。目前實現(xiàn)力控制的方法一般有兩種：一種是簡單的采用軌線控制的方法，間接地達到控制力的目的，但此方法需要極高的軌線控制精度，經(jīng)濟代價較高；另一種是直接的力控制方法，它是在軌線控制的基礎上給機器人提供力或觸覺等傳感器，使機器人在受限方向上運動時能檢測到與外界間的作用力。進而控制器對外界施加的作用力干擾不是像常規(guī)位置控制器那樣對其抵抗或消除，而是進行一定程度的“妥協(xié)”即順應或依從，從而以一定的位置偏差為代價來滿足力控制的要求，保證作用力為恒值或在一定的范圍內變化[38]。

近幾年，機器人力控制方法在外骨骼中的應用引起了不少學者的關注。最著名的是海軍航空工程學院的楊智勇、顧文錦、張靜、歸麗華等學者，他們依次對將傳統(tǒng)機器人控制策略中的直接力控制、基于位置內環(huán)的力控制及阻抗控制引入到外骨骼控制方法的設計中進行了嘗試[26]。其設計的這些力控制策略相較于靈敏度控制策略，能夠通過添加在人與外骨骼之間的多維力/力矩傳感器實時分析判斷自身的控制效果并進行調整。但是相較于靈敏度放大控制策略，這些控制策略需要更加復雜的傳感系統(tǒng)。而且在這些控制策略所設計的控制器中，外骨骼的雅可比矩陣及骨骼服的靜態(tài)重力補償力矩仍然都得依賴于精確的外骨骼數(shù)學模型。此外，基于位置內環(huán)的力控制及阻抗控制都需要提供參考位置信號，這就遇到了外骨骼運動軌跡規(guī)劃的問題。而助力型人體外骨骼與傳統(tǒng)機器人的不同之處，在于其運動軌跡需要完全依從于穿戴者的人體運動，因而人體運動的隨意性導致外骨骼的軌跡規(guī)劃異常困難。

中國科學技術大學的余永、葛運建等也進行了將傳統(tǒng)的力矩補償控制方法應用于助力外骨骼的研究[14]，他們不僅進行了詳細的傳感系統(tǒng)及控制硬件設計，還設計了應用于外骨骼擺動腿的簡單實驗。

哈爾濱工業(yè)大學的朱延河等[20]開發(fā)的助力外骨骼樣機也使用了類似的控制方法，但從其在2015年穿戴式外骨骼主力裝備挑戰(zhàn)賽上的表現(xiàn)來看，其人機協(xié)調性的控制效果并不好，并且對不同地形的適應情況也不令人滿意。究其原因，還是傳統(tǒng)機器人的力控制方法仍然需要依賴于機器人的軌跡規(guī)劃，而人體行走的隨意性導致外骨骼的軌跡規(guī)劃較為困難。

4.5 控制策略綜合分析

綜合而言，各種控制策略各有優(yōu)缺點。其中值得關注的有幾條重要信息：1)人體運動軌跡跟蹤控制策略可以將許多人體外骨骼控制的難題(軌跡規(guī)劃、平衡穩(wěn)定性等)交給人體實現(xiàn)，而外骨骼只需實現(xiàn)實時跟蹤人體運動這一個目標；2)靈敏度放大控制，為背負負載提供了一種新思路，即外骨骼提供較大動力，人體仍需提供較小動力，外骨骼提供的動力是人體提供動力的一定倍數(shù)；3)機器人力控制方法應用于外骨骼中，將人體看作外骨骼的工作環(huán)境，通過實時保持外骨骼與人體較小的交互作用力從而實現(xiàn)較好的人機協(xié)調性。若是能將以上幾條控制策略的優(yōu)點集合到同一外骨骼樣機的控制方案中，想必能取得較為優(yōu)越的控制效果。

5 感知系統(tǒng)分析

助力型外骨骼感知系統(tǒng)主要有兩個作用：1)用于獲取相應控制策略所需的相關信息，這也是感知系統(tǒng)設計的首要目的；2)用于非控制目的(例如監(jiān)控外骨骼運動狀態(tài)用于分析或者仿真目的)的感知系統(tǒng)設計。因此根據(jù)不同研究者的控制策略及需求實現(xiàn)的感知系統(tǒng)的布局及傳感器的選擇千差萬別，然而外骨骼常用的傳感器種類卻是如下為數(shù)不多的幾種。

5.1 關節(jié)狀態(tài)檢測傳感器

常用的關節(jié)角度傳感器是電位計、光電旋轉編碼器及線性編碼器，尤其是光電編碼器，在很多場合它已與伺服電機配置在一起出售。關節(jié)角度傳感器既可以安裝在電機端，也可以安裝在關節(jié)端。角加速度傳感器常常用于檢測外骨骼的關節(jié)角加速度，一般不會通過傳感器直接檢測外骨骼關節(jié)的角速度，而是通過角度傳感器進行推測[32]。這類傳感器是在外骨骼設計中應用最多的傳感器，在大多數(shù)外骨骼樣機中多多少少都有應用[24,26,30]。

5.2 軀干姿勢檢測傳感器

與仿人機器人類似，外骨骼一般采用加速度計和陀螺儀等慣性敏感元件來實現(xiàn)機器人的姿態(tài)信息檢測。傳統(tǒng)的加速度計和陀螺儀是機械式的，優(yōu)點是精度高，缺點是成本高、尺寸大、質量大、可靠性差。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展，MEMS加速度計和MEMS陀螺儀已比較成熟，成本低、尺寸小、質量小、可靠性高，測量精度也在不斷提高。利用慣性敏感元件測量結構相對于慣性空間的線運動和角運動參數(shù)，再利用牛頓力學定律推算出姿態(tài)方位、速度、位置等參數(shù)，這種方式是一種完全自主式的姿態(tài)檢測系統(tǒng)，不易受到干擾。除此之外，傾角儀在需要檢測外骨骼軀干與地面絕對角度時，也會有一定的應用。

5.3 人機交互信息檢測傳感器

外骨骼設計中常常需要測量人與外骨骼交互作用力或者外骨骼與地面間的反力/力矩等信息，常用的傳感器有拉壓力傳感器、稱重傳感器、力矩傳感器等，在有多個方向力/力矩檢測需求時，往往會選用多維力/力矩傳感器。片式足底壓力分布傳感器常常應用于檢測穿戴外骨骼時人體足底的壓力分布情況，用于辨識人體運動相位。此外接觸開關也會應用于分辨外骨骼的支撐腿及擺動腿[24,26]。

5.4 人體生物信息檢測傳感器

日本筑波大學、佐賀大學等機構設計的外骨骼采用了大量的肌電傳感器檢測人體相應位置實時的肌電信息，在殘疾人醫(yī)療方面取得了較大成功[13]。在2014年巴西世界杯上，由巴西南里奧格蘭德聯(lián)邦大學展示的外骨骼樣機首先使用腦電波傳感器來判斷人的運動意圖，再通過傳統(tǒng)機器人的位置控制方法幫助殘疾人實現(xiàn)簡單運動[16]。在外骨骼的設計中，往往會避免安裝傳感器在人體上，因此檢測人體生物信息的傳感器在外骨骼樣機中的應用并不多。

6 結束語

本文將助力型人體下肢外骨骼系統(tǒng)分為機械系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)4個子系統(tǒng)，并與全球著名的外骨骼樣機及相關文獻相結合，對以上4個子系統(tǒng)中的關鍵元素進行了分類總結與分析。機械系統(tǒng)方面：絕大多數(shù)研究者在尺寸結構設計、關節(jié)自由度設計、驅動自由度選擇方面都較為相似、固定，然而為數(shù)不多的一些人體異構型外骨骼結構不失為探索創(chuàng)新的好范例。驅動系統(tǒng)方面：伺服電機與液壓裝置是以往外骨骼選用最多的兩種驅動器，不過目前的外骨骼主流設計者越來越傾向于不選擇液壓驅動方式?？刂葡到y(tǒng)方面：在以往外骨骼系統(tǒng)中有過研究應用的各種控制策略各有優(yōu)缺點，一個優(yōu)越的控制方法正是目前外骨骼發(fā)展的最大瓶頸，一種能夠結合人體運動軌跡跟蹤控制、靈敏度放大控制及機器人力控制這幾種控制策略優(yōu)點的控制方案不失為值得探索的目標。感知系統(tǒng)方面：具體的感知系統(tǒng)設計及布局因人而異、千差萬別，但各研究者所運用到的傳感器種類并不多，將新型傳感器應用于外骨骼中的探索也許會給外骨骼的研究帶來不一樣的局面?？傮w而言，目前人體下肢外骨骼的研究已成系統(tǒng)，也較為全面，一種人機協(xié)調性好、助力效果好、平衡穩(wěn)定性優(yōu)越及環(huán)境適應性強的控制方案的探索與設計是外骨骼目前所要實現(xiàn)的首要目標。