下肢可穿戴外骨骼發(fā)展現(xiàn)狀的分析與研究

孟 飛 彭興禹 徐尤南

（載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 華東交通大學(xué)， 江西 南昌 330017）

0 引言

外骨骼這一概念在早期的科幻小說(shuō)中被提出，在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中最早被提出可以追溯到19 世紀(jì)30 年代。隨著工業(yè)革命的發(fā)展，英國(guó)人首次提出將蒸汽機(jī)穿戴在人身上來(lái)增加人體力量[1]144-145。19 世紀(jì)末期，俄羅斯人尼古拉斯·亞根（Nicholas Yagn）申請(qǐng)了一項(xiàng)外骨骼專利，這是首次提出制造的外骨骼裝備，但是這臺(tái)裝備并未被制造出來(lái)。直到20 世紀(jì)60 年代，外骨骼的研究取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。1963 年，美國(guó)陸軍外彈道實(shí)驗(yàn)室的扎魯?shù)履幔╖aroodny）發(fā)表了一份技術(shù)報(bào)告，提出已著手解決外骨骼的可攜帶電源、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)等難題[1]146-147。20 世紀(jì)60 年代末期，在美國(guó)海軍研究辦公室的資助下，通用電氣研究公司和康奈爾大學(xué)合作研發(fā)了首臺(tái)全身動(dòng)力外骨骼模型，這臺(tái)外骨骼模型被命名為“Hardiman”，其質(zhì)量達(dá)680 kg，有30 個(gè)自由度并且覆蓋全身[2]，雖然它不具備靈活緊湊的特點(diǎn)，但這是可穿戴外骨骼的首個(gè)原型機(jī)。在2000 年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局開(kāi)始啟動(dòng)外骨骼項(xiàng)目，隨后，多個(gè)國(guó)家掀起了外骨骼研究的熱潮，可穿戴外骨骼領(lǐng)域進(jìn)入飛速發(fā)展階段。

研究外骨骼的初衷是為了增強(qiáng)人體力量，應(yīng)用于軍事領(lǐng)域以增強(qiáng)單兵作戰(zhàn)能力?？蒲腥藛T根據(jù)仿生物學(xué)，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等，使人體穿戴以后能夠大幅度提高自身力量和速度，實(shí)現(xiàn)舉重若輕的目的。隨著技術(shù)的發(fā)展，外骨骼被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域，針對(duì)下肢肢體受損導(dǎo)致行走功能不健全的人，利用可穿戴外骨骼設(shè)備可以幫助他們行走。

自從外骨骼發(fā)展以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多高校和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始相關(guān)研究。如美國(guó)麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)、日本中央大學(xué)、神奈川大學(xué)、韓國(guó)現(xiàn)代集團(tuán)、漢陽(yáng)大學(xué)、中國(guó)的電子科技大學(xué)、浙江大學(xué)等，在相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)取得巨大成就[3]166-167。

隨著動(dòng)力下肢外骨骼的研究，在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域遇到瓶頸，一些研究人員開(kāi)始研究無(wú)動(dòng)力被動(dòng)外骨骼，采用平行串聯(lián)結(jié)構(gòu)、彈性結(jié)構(gòu)等形式，在人體行走過(guò)程中搜集能量，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)釋放儲(chǔ)存的能量，從而達(dá)到幫助行走的目的。

1 有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)外骨骼

在有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的下肢外骨骼中，可以將外骨骼分為兩種類型：剛性外骨骼，指采用剛性結(jié)構(gòu)與人體下肢關(guān)節(jié)對(duì)齊的方式設(shè)計(jì)，主要為人體行走提供支撐和動(dòng)力；柔性外骨骼，指采用柔性元件，例如鮑登線、布帶、氣動(dòng)肌肉等材料制成的外骨骼，其可以避免剛性外骨骼因?yàn)槿藱C(jī)交互而產(chǎn)生的干擾，提供較好的穿戴舒適性，主要為人體行走提供輔助，改善行走步態(tài)，應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域。

1.1 剛性動(dòng)力驅(qū)動(dòng)外骨骼

剛性動(dòng)力外骨骼一般利用電機(jī)、液壓、氣動(dòng)等能源為外骨骼提供動(dòng)力，采用剛性桿件，通過(guò)傳感器、計(jì)算機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)意圖感知，從而產(chǎn)生配合人體行走的行為。

2000 年，美國(guó)伯克利仿生公司研發(fā)了第一代下肢外骨骼機(jī)器人BLEEX[1]147-148，研發(fā)者宣稱這是第一個(gè)搭載負(fù)載和移動(dòng)動(dòng)力的下肢外骨骼（圖1）。BLEEX采用線性液壓驅(qū)動(dòng)下肢外骨骼，共有7 個(gè)自由度（臀部關(guān)節(jié)3 個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)1 個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)3 個(gè)自由度）。其中，髖關(guān)節(jié)屈曲和伸展、外展和內(nèi)收，膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展及踝關(guān)節(jié)屈曲和伸展由液壓缸直接驅(qū)動(dòng)[4-6]。在人體的冠狀面，根據(jù)外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)，兩個(gè)腿部骨骼共享髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，從而避免與人體髖關(guān)節(jié)相交，其兩條腿部長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同腿長(zhǎng)的人穿戴。BLEEX 的自身質(zhì)量為38 kg，最大負(fù)載為75 kg。在搭配滿額負(fù)載的情況下，行走速度可以達(dá)到0.9 m/s；在無(wú)負(fù)載的情況下，最大行走速度為1.3 m/s[7-9]。但是，該外骨骼系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)自由度過(guò)多，導(dǎo)致外骨骼過(guò)于復(fù)雜；自身質(zhì)量與負(fù)載比值較小，系統(tǒng)笨重；人機(jī)協(xié)調(diào)性和穿戴舒適性差，續(xù)航時(shí)間短。

圖1 BLEEXFig.1 BLEEX

美國(guó)Sarcos 公司在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局EHAP 項(xiàng)目支持下也展開(kāi)了下肢外骨骼機(jī)器人的研究。與BLEEX 相比，該公司設(shè)計(jì)的機(jī)器人直接在轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處安裝旋轉(zhuǎn)液壓驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，穿戴者能夠搭載重達(dá)90 kg 的負(fù)載，在最大負(fù)載時(shí)能夠以1.6 m/s速度行走；其余信息則很少被公開(kāi)[10-11]。

2012 年，以色列ReWalk 公司研發(fā)的ReWalk 可穿戴下肢機(jī)器人（圖2）獲得了歐盟CE 認(rèn)證，獲得進(jìn)入歐洲市場(chǎng)的許可，ReWalk 的主要作用是幫助有行走困難的人群重新站立行走[12]。設(shè)計(jì)師采用了較少的自由度，從而減輕了機(jī)器人的協(xié)調(diào)困難。ReWalk設(shè)計(jì)了一種雙肩包式的背包，把電源以及計(jì)算機(jī)放在一起，使得機(jī)器結(jié)構(gòu)緊湊。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，通過(guò)彈簧輔助驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)。ReWalk 自身質(zhì)量為20 kg，行走速度為1.6 km/h，在充滿電的情況下，其續(xù)航能力為160 min[13]。另外，ReWalk 設(shè)計(jì)有腕帶式的控制器，可以切換其行走模式，幫助穿戴者行走、蹲起和上下樓梯；額外配備輔助拐杖以保持行走平衡[14-15]。腕帶式的控制器和拐杖簡(jiǎn)化了穿戴者操作，增加了安全保障，其髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)使得外骨骼系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。

圖2 ReWalkFig.2 ReWalk

2015 年，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的金孝坤（Hyo-gon Kim）團(tuán)隊(duì)采用在下肢外骨骼機(jī)器人EXO（圖3）合適關(guān)節(jié)處加入彈性元件或者耗散元件的方法，幫助穿戴者在行走和蹲起的過(guò)程中減少能量消耗。該機(jī)器人自身質(zhì)量約為35 kg，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，連接半主動(dòng)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)外骨骼的意圖。通過(guò)加入彈性和耗散元件，在20 kg 的負(fù)載時(shí)，可使穿戴者受到的地面作用力減少200 N[16]。但由于自身質(zhì)量過(guò)重，該外骨骼在無(wú)負(fù)載時(shí)反而會(huì)增加人體下肢受力，只適用于背負(fù)重物，使用范圍小。

圖3 EXO Fig.3 EXO

浙江大學(xué)也研發(fā)了類似于ReWalk 的下肢可穿戴機(jī)器人（圖4），可用于幫助患者康復(fù)和幫助行走。通過(guò)在拐杖上面設(shè)計(jì)按鈕，識(shí)別人體意圖，達(dá)到人機(jī)交流的目的。該機(jī)器人也可以幫助患者從坐姿到站立起來(lái)、上下樓梯行為。

圖4 下肢可穿戴機(jī)器人（浙江大學(xué)）Fig.4 Lower limb wearable robots（Zhejiang university）

2015 年，電子科技大學(xué)的團(tuán)隊(duì)和Huu Toan Tran教授研發(fā)了一種人體動(dòng)力增強(qiáng)下肢外骨骼HUALEX（圖5），其在大腿處設(shè)計(jì)了可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的連桿，通過(guò)電機(jī)直接對(duì)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該外骨骼能夠在行走速度為1.04 m/s 時(shí)將72%的負(fù)載傳遞到地面[17-18]。但是，該外骨骼在其髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處直接加裝電機(jī)，增加了人體在冠狀面的負(fù)載。

圖5 HUALEXFig.5 HUALEX

北京大艾機(jī)器人科技有限公司2018 年推出Ailegs 下肢機(jī)器人（圖6）。該機(jī)器人背部、大腿和小腿的長(zhǎng)度尺寸都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，機(jī)器人可以與不同的身高穿戴者進(jìn)行匹配，且體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶[19-20]。

圖6 AilegsFig.6 Ailegs

1.2 柔性動(dòng)力驅(qū)動(dòng)外骨骼

剛性外骨骼機(jī)器人因其物理特性易導(dǎo)致人機(jī)關(guān)節(jié)不對(duì)齊、附加力矩大，存在穿戴舒適性差、攜帶不便等不足，許多研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究柔性下肢外骨骼機(jī)器人。

日本中央大學(xué)研制了用于提高行走能力的行走助力機(jī)器人[21]（圖7），該機(jī)器人采用氣動(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)單元，通過(guò)收縮和釋放相應(yīng)結(jié)點(diǎn)，以髖關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生力矩，輔助大腿抬起并向前邁步，增加了步長(zhǎng)，從而提高了行走能力。在行走速度為0.97 m/s的跑步機(jī)上，平均步長(zhǎng)增加23 mm；在下肢擺動(dòng)期間，腿部肌肉活性降低，生物代謝較少，但在支撐期半腱肌活性增加[22]。

圖7 助力機(jī)器人（日本中央大學(xué)）Fig.7 Power assisted robots(Chuo University)

2013 年，哈佛大學(xué)的Wyss 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了基于鮑登線的多樞紐柔性下肢外骨骼原型樣機(jī)Exosuit（圖8）。該機(jī)器人采取新型的輕質(zhì)彈性紡織帶取代傳統(tǒng)的剛性布局，使穿戴者的下肢擺脫剛性質(zhì)料的束厄局面，可以讓穿戴者腿部自然彎曲，并且能讓穿戴者承受更大的載荷。該外骨骼總質(zhì)量為10 kg，且續(xù)航能力達(dá)到4 h。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以降低穿戴者6%的生物代謝能量[23-25]。2016年，該實(shí)驗(yàn)室通過(guò)改變控制策略，搜集在行走時(shí)產(chǎn)生的負(fù)能量并且使之在特定的步態(tài)周期釋放，可為髖關(guān)節(jié)提供約為人體自然行走時(shí)產(chǎn)生力矩的30%，使生物代謝能最高降低至16%[26-27]。

圖8 ExosuitFig.8 Exosuit

2020 年，北京航空航天大學(xué)研制出一種可實(shí)現(xiàn)跖屈和背屈雙向運(yùn)動(dòng)輔助的繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)外骨骼（圖9）。該外骨骼機(jī)器人使用一對(duì)單電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)兩側(cè)踝關(guān)節(jié)的跖屈和背屈雙向運(yùn)動(dòng)輔助。該外骨骼在鞋跟和腳趾前端設(shè)置4根電纜，設(shè)計(jì)了基于齒輪—滑輪組件的繩索力傳輸系統(tǒng)，可有效地將動(dòng)力從電機(jī)端傳遞至末端執(zhí)行器，以此可實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)跖屈和背屈。為了減少給穿戴者施加附加慣性力矩，研發(fā)者將電機(jī)、供能單元、控制單元安置在人體腰部附近。設(shè)計(jì)了基于足底壓力傳感器和慣性測(cè)量單元（IMU）的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，能有效識(shí)別穿戴者的步態(tài)周期和步行狀態(tài)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，受試者在佩戴該外骨骼時(shí)比目魚(yú)肌的活動(dòng)相比降低5.2%[28]。

圖9 踝關(guān)節(jié)外骨骼（北京航空航天大學(xué)）Fig.9 Ankle exoskeleton（Beihang University）

2019 年，西北機(jī)電工程研究所制作出一種穿戴式的柔性踝關(guān)節(jié)助力服（圖10）。該裝置參考了哈佛大學(xué)的柔性外骨骼設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)為沿著腿部肌肉的走向安裝有織物布，可為腿部多處肌肉和肌腱起到省力的作用。通過(guò)電機(jī)、減速器、布帶和輪盤(pán)的結(jié)構(gòu)，將電機(jī)產(chǎn)生的力傳遞到踝關(guān)節(jié)，同時(shí)還能增加對(duì)其他腿部肌肉的輔助。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，助力服可以提供的最大拉力為100 N，滿足對(duì)踝關(guān)節(jié)的助力目的[29]。

圖10 柔性踝關(guān)節(jié)助力服Fig.10 Flexible ankle booster suit

有動(dòng)力可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人基本情況對(duì)照如表1所示。

表1 有動(dòng)力可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人基本情況對(duì)照Tab.1 Comparison of basic conditions of powered wearable lower limb exoskeleton robots

2 無(wú)動(dòng)力外骨骼

在有動(dòng)力外骨骼研究方面，機(jī)器人的動(dòng)力源多為電源、液壓或者氣壓驅(qū)動(dòng)，這種裝備的設(shè)計(jì)需要搭載外部動(dòng)力源，導(dǎo)致外骨骼成本高、質(zhì)量大，也使得穿戴者的行走動(dòng)作不靈活。因此，研究人員開(kāi)始將研究方向轉(zhuǎn)為無(wú)動(dòng)力外骨骼。由于無(wú)動(dòng)力外骨骼省略了外部動(dòng)力的搭載，使得外骨骼的結(jié)構(gòu)更加緊湊，質(zhì)量大大減輕，節(jié)省能源。

北京交通大學(xué)研發(fā)了一種自適應(yīng)踝足外骨骼（圖11），該外骨骼由鞋子、離合器、伸縮彈簧和柄撐構(gòu)成，沒(méi)有外部能源接入。研究人員在鞋子底部設(shè)計(jì)了兩個(gè)觸發(fā)機(jī)關(guān)，能夠識(shí)別人體的行走步態(tài)，然后通過(guò)觸發(fā)器，引起離合機(jī)構(gòu)的離合，使得踝足外骨骼能夠根據(jù)步態(tài)來(lái)通過(guò)彈性元件釋放和存儲(chǔ)由行走產(chǎn)生的能量。同時(shí)，在離合器的設(shè)計(jì)上，研究人員把離合器集中設(shè)計(jì)在一個(gè)小輪盤(pán)內(nèi)部，使外骨骼的結(jié)構(gòu)緊湊，避免產(chǎn)生較大的慣性力矩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，穿戴該設(shè)備后讓比目魚(yú)肌的活動(dòng)減少了70%[30-31]。但是該外骨骼設(shè)計(jì)裝置太過(guò)復(fù)雜，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的效率降低。

圖11 自適應(yīng)踝足外骨骼Fig.11 Adaptive ankle foot exoskeleton

清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)脊髓損傷患者的特點(diǎn)和損傷程度，設(shè)計(jì)了一種新型無(wú)動(dòng)力儲(chǔ)能外骨骼系統(tǒng)ESEXO（Energy-stored exoskeleton）（圖12），能夠?yàn)榛颊咛峁┚珳?zhǔn)化助行。該外骨骼主要由髖骨支架、彈性儲(chǔ)能單元、大腿桿件和腳底支撐元件構(gòu)成。其工作原理為：能量存儲(chǔ)單元中的兩個(gè)彈簧在步態(tài)中代替部分人體肌肉和肌肉纖維的作用，在髖關(guān)節(jié)伸展過(guò)程中彈簧儲(chǔ)能，在屈曲過(guò)程中彈簧釋放存儲(chǔ)能量對(duì)大腿進(jìn)行助力，并將屈髖的部分能量存儲(chǔ)在另一個(gè)彈簧中，為伸髖運(yùn)動(dòng)提供能量[32]。研究結(jié)果表明，使用優(yōu)化的儲(chǔ)能元件，髖關(guān)節(jié)屈曲力矩降低了37.2%，腹肌激活減少，下背部肌肉略微增加。另外，該外骨骼系統(tǒng)還可以通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能元件，為脊髓損傷患者提供特定的步行輔助[33]。

圖12 ES-EXOFig.12 ES-EXO

2015年，澳大利亞國(guó)防部發(fā)布OX新型無(wú)動(dòng)力柔性外骨骼系統(tǒng)（圖13），該外骨骼系統(tǒng)具有質(zhì)量小、輕便快捷的特點(diǎn)，總質(zhì)量只有3 kg。該外骨骼可利用從肩部到腳部的2 條鮑登鋼纜實(shí)現(xiàn)負(fù)載的載荷傳遞，將背包負(fù)重轉(zhuǎn)移至地面。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該外骨骼可以節(jié)省人體50%的能耗。OX 新型無(wú)動(dòng)力柔性外骨骼易于和穿戴者裝備集成，不使用時(shí)可簡(jiǎn)單拆卸并放入背包攜行，具有結(jié)構(gòu)小巧、持久耐用、成本低等特點(diǎn)[34]。

圖13 被動(dòng)彈性膝踝外骨骼Fig.13 Passive elastic knee and ankle exoskeleton

Spring Loaded Technology 公司于2012 年開(kāi)展了在膝關(guān)節(jié)處通過(guò)彈性元件進(jìn)行助力的項(xiàng)目[35]。Levitation無(wú)動(dòng)力膝關(guān)節(jié)助力外骨骼（圖14）為該公司的研發(fā)成果。該無(wú)動(dòng)力膝關(guān)節(jié)的特點(diǎn)是采用液體彈簧替換傳統(tǒng)的剛性彈簧，使得外骨骼在膝關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的力矩能與穿戴者完美對(duì)齊[3]169-170。該外骨骼工作原理是：液體彈簧通過(guò)壓縮硅流體分子來(lái)儲(chǔ)存能量。當(dāng)膝蓋彎曲時(shí)，外骨骼儲(chǔ)存能量；膝關(guān)節(jié)伸展時(shí)，外骨骼釋放能量，對(duì)人體進(jìn)行助力。該款外骨骼質(zhì)量?jī)H為0.9 kg。實(shí)驗(yàn)表明，該膝關(guān)節(jié)助力裝置能夠降低穿戴者的膝關(guān)節(jié)64%的負(fù)荷，同時(shí)增大穿戴者股四頭肌的轉(zhuǎn)矩、強(qiáng)度和力量。該裝置可應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)疾病患者、運(yùn)動(dòng)員、沉重體力勞動(dòng)者[36]。由于該裝置的穿戴方法，可能會(huì)導(dǎo)致在穿過(guò)程中發(fā)生外骨骼移位的問(wèn)題。

圖14 Levita-tionFig.14 Levita-tion

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 有動(dòng)力下肢外骨骼

可穿戴下肢外骨骼是一種集機(jī)器人技術(shù)、人體生物技術(shù)、感知技術(shù)以及控制技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)為一體的高精度機(jī)器人。通過(guò)閱讀國(guó)內(nèi)外不同研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的文獻(xiàn)，總結(jié)出下列幾項(xiàng)在研發(fā)有動(dòng)力下肢外骨骼機(jī)器人過(guò)程中需要面臨的共同關(guān)鍵技術(shù)。

3.1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，介于能源的發(fā)展，目前常用的驅(qū)動(dòng)單元為電機(jī)、液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，在這3 種驅(qū)動(dòng)[37]1488-1494模式中它們擁有各自的優(yōu)劣勢(shì)：

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的控制，無(wú)污染。電機(jī)驅(qū)動(dòng)分為盤(pán)式電機(jī)和電動(dòng)推桿。盤(pán)式電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以拆卸，但體積較大，增加了外骨骼機(jī)器人質(zhì)量；電動(dòng)推桿通過(guò)連接滾珠絲杠，將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是需要增加額外的減速器，其功率相對(duì)較小。

（2）對(duì)于氣壓和液壓驅(qū)動(dòng)，二者可以歸為同一類型驅(qū)動(dòng)，都具有質(zhì)量輕、功率高、慣性小等特點(diǎn)，但是它們成本相對(duì)較高，且控制精度差、噪聲大、密封差。

3.1.2 運(yùn)動(dòng)意圖與步態(tài)識(shí)別系統(tǒng)

（1）生理電信號(hào)的信息檢測(cè)技術(shù)，利用肌肉電信號(hào)（EMG）、腦電信號(hào)（EEG）等傳感器，貼于人體皮膚表面，通過(guò)識(shí)別肌肉電信號(hào)或者腦電信號(hào)來(lái)識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)意圖。這種生理電信號(hào)能夠提前識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)意圖，使機(jī)器人的響應(yīng)速度更快；但是，利用肌肉電信號(hào)的傳感器容易受到皮膚表面汗液或者其他信號(hào)的干擾[37]1488-1494。

（2）關(guān)節(jié)角速度的信息感知技術(shù)，將速度傳感器或角加速度傳感器等置于下肢各個(gè)關(guān)節(jié)附近，獲取人體下肢的運(yùn)動(dòng)速度等信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)等輔助計(jì)算出下肢步態(tài)信息。

（3）利用肌肉壓力電信號(hào)來(lái)識(shí)別人體下肢運(yùn)動(dòng)意圖[38]，將傳感器置于下肢機(jī)器人內(nèi)部或者皮膚表面，根據(jù)人體行走時(shí)肌肉收縮產(chǎn)生的壓力來(lái)識(shí)別步態(tài)信息。

（4）地面反作用力或者足底壓力信號(hào)感知技術(shù)[39]，將力傳感器置于足底，根據(jù)人體在行走時(shí)抬起或下壓腳掌，來(lái)做出判斷識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)意圖。

3.1.3 控制策略

（1）預(yù)編程控制策略，指下肢外骨骼機(jī)器人按照預(yù)先編好的運(yùn)行程序運(yùn)行，從而帶動(dòng)操作者肢體動(dòng)作。此種控制策略無(wú)需感知人體運(yùn)動(dòng)信息，但操作者只能進(jìn)行有限干預(yù)，適用于康復(fù)領(lǐng)域[40]。

（2）基于力信息的控制策略，通過(guò)各種力傳感器獲取人體的運(yùn)動(dòng)意圖信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用一定的控制算法，從而控制外骨骼機(jī)器人能夠輔助跟隨人體運(yùn)動(dòng)。

（3）基于生物電信號(hào)的控制策略，利用各種生物傳感器獲得的人體運(yùn)動(dòng)信息，反饋于處理中心，隨后，控制機(jī)器人根據(jù)感知做出跟隨穿戴者運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作。

（4）智能控制策略，利用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法，能夠智能識(shí)別人機(jī)交互信息，可以較好地實(shí)時(shí)處理任何復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，同時(shí)能夠自我學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不確定性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

3.2 無(wú)動(dòng)力下肢外骨骼

無(wú)動(dòng)力外骨骼的發(fā)展相較于傳統(tǒng)下肢外骨骼而言起步較晚，尚處于一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。無(wú)動(dòng)力外骨骼的研發(fā)過(guò)程涉及人體解剖學(xué)、仿生學(xué)、人體力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用等多個(gè)學(xué)科。目前，無(wú)動(dòng)力外骨骼研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

（1）材料應(yīng)用。在無(wú)動(dòng)力外骨骼研發(fā)中，要讓外骨骼能夠滿足助力性能，滿足輕型設(shè)計(jì)原則，并具有一定的舒適性。因此，在材料的選擇上可以多選用輕型、耐高強(qiáng)度、對(duì)人體皮膚無(wú)損害的材料，例如，使用碳纖維蜂窩技術(shù)、尼龍布料等。

（2）助力性能。由于無(wú)動(dòng)力外骨骼不搭載外部能源，相較于有動(dòng)力外骨骼，其助力性能有所下降，這也是限制無(wú)動(dòng)力外骨骼發(fā)展的技術(shù)難題。在研發(fā)無(wú)動(dòng)力外骨骼助力機(jī)器人時(shí)，要對(duì)選擇的助力元件進(jìn)行考慮。強(qiáng)度過(guò)大易阻礙運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)度過(guò)小則不能提供良好的助力。

（3）控制裝置和精度。無(wú)動(dòng)力外骨骼的控制裝置主要是控制外骨骼的能量轉(zhuǎn)換，讓外骨骼能夠吸收人體走動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量并儲(chǔ)存，同時(shí)將生物能轉(zhuǎn)換為行走需要的動(dòng)能。因人體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)意圖的隨機(jī)性、肌肉的收縮程度與肌肉力是非線性關(guān)系[41]。同時(shí)，無(wú)動(dòng)力外骨骼助力機(jī)器人不使用各種傳感器感知人體運(yùn)動(dòng)意圖，難以實(shí)現(xiàn)根據(jù)人體意愿來(lái)控制外骨骼跟隨運(yùn)動(dòng)。在選擇彈簧為驅(qū)動(dòng)部件時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇與肌肉助力成比例的非線性彈簧。

4 展望

通過(guò)對(duì)有動(dòng)力和無(wú)動(dòng)力下肢外骨骼機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r、結(jié)構(gòu)原理和裝備性能等進(jìn)行回顧總結(jié)，可以使我們對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人的作用有更深刻的理解。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在幾十年快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，下肢外骨骼技術(shù)不斷成熟，但是仍然有許多技術(shù)有待提高和改進(jìn)。

4.1 有動(dòng)力外骨骼改善

（1）高續(xù)航。經(jīng)過(guò)前面對(duì)有動(dòng)力下肢外骨骼的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)普遍存在續(xù)航能力不足的問(wèn)題，并且電池和電機(jī)的體積較大。未來(lái)可以發(fā)展高強(qiáng)度的續(xù)航電池增加續(xù)航；發(fā)展大轉(zhuǎn)矩密度的電機(jī)，減小外骨骼的橫向慣性和質(zhì)量，同時(shí)還能讓外骨骼輕量化。

（2）人機(jī)協(xié)調(diào)性?，F(xiàn)存的有動(dòng)力剛性外骨骼因?yàn)閯傂越Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)導(dǎo)致外骨骼的步態(tài)顯得笨重。應(yīng)通過(guò)提高傳感器精度、改善控制策略等，讓外骨骼的步態(tài)與人體自然步態(tài)更貼近。

4.2 無(wú)動(dòng)力外骨骼發(fā)展

無(wú)動(dòng)力外骨骼具有質(zhì)量輕、操作方便、穿戴簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，未來(lái)的發(fā)展可能會(huì)比有動(dòng)力外骨骼更加普及。要加速無(wú)動(dòng)力外骨骼的發(fā)展，未來(lái)可以向以下方面發(fā)展：

（1）提高控制精度?？梢詫o(wú)動(dòng)力外骨骼看作人體下肢的仿生結(jié)構(gòu)，沒(méi)有搭載傳感器、處理器等，導(dǎo)致控制精度不足。未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)人體奧秘的發(fā)掘，發(fā)展更加符合人體下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)的外骨骼結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)控制精度更高的彈性元件，讓外骨骼與人體動(dòng)作協(xié)調(diào)。

（2）模塊化。無(wú)動(dòng)力外骨骼多為單關(guān)節(jié)助行，未來(lái)可以對(duì)無(wú)動(dòng)力外骨骼進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)不同的關(guān)節(jié)實(shí)行多關(guān)節(jié)協(xié)同助行以增強(qiáng)穿戴效果。