可穿戴外骨骼機器人研究現(xiàn)狀

郭 慶，陳迎年

（華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200030）

近年來，中國老齡化社會程度不斷加深，老年人出行及病后健康訓(xùn)練均需要大量可穿戴外骨骼機器人的協(xié)助，同時在軍事領(lǐng)域也存在提高單兵裝備優(yōu)勢、保持軍隊戰(zhàn)斗力和節(jié)約能源的需求，而在民用領(lǐng)域也存在輔助人類托舉重物、提高殘疾人行走能力的需要，因此，可穿戴外骨骼機器人的發(fā)展無疑對經(jīng)濟、社會和國防均有著重要的意義。

可穿戴外骨骼機器人是通過仿生學(xué)、機構(gòu)學(xué)和控制學(xué)等學(xué)科的交叉融合發(fā)展而來的，其中包含了機械結(jié)構(gòu)、信息傳感和自動控制等關(guān)鍵技術(shù)，近年來已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點[1]。本文從不同角度闡述了當前國內(nèi)外可穿戴外骨骼機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，并對相關(guān)應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)進行了介紹，討論當前制約可穿戴外骨骼機器人發(fā)展的難點，最后對可穿戴外骨骼機器人的發(fā)展進行展望。

1 國外可穿戴外骨骼機器人研究現(xiàn)狀

20世紀60年代末期，美國及前南斯拉夫?qū)ν夤趋罊C器人的研究便已經(jīng)開展，美國進行外骨骼機器人研究的目的是增強單兵能力，以更好地服務(wù)軍事，前南斯拉夫的目的則是用于輔助殘障人士的日常行走[2]。隨后，下肢外骨骼機器人得到了世界各國的關(guān)注，日本、俄羅斯、法國、加拿大和以色列等國家也紛紛加入下肢外骨骼機器人的研究之中。

1.1 歐美

2004年，在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的資助下，加州大學(xué)伯克利分校推出了其第一代單兵下肢外骨骼助力系統(tǒng)BLEEX[3]。該系統(tǒng)擁有2個擬人腿，單腿包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和彈簧等共同控制的7個自由度。該系統(tǒng)的質(zhì)量大約為45 kg，可載荷32 kg的重物，采用液壓驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，在這款下肢外骨骼機器人上創(chuàng)新性地大量集成各種傳感器，以實時獲取人體運動信息，最大限度貼合人體運動規(guī)律[4]。該款下肢外骨骼機器人不僅可以幫助士兵搬運重物，也可以輔助醫(yī)療人員轉(zhuǎn)移傷員或者輔助消防員攜帶消防設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，Kazerooni教授及其團隊又開發(fā)出了“ExoHiker”和“ExoClimber”2款下肢助力外骨骼機器人。前者設(shè)計的目的是長時間執(zhí)行任務(wù)攜帶重物，質(zhì)量14 kg，額定負荷680 N，采用液壓驅(qū)動[5]；后者主要用于上樓梯和爬山，質(zhì)量約22.7 kg，額定負荷680 N，采用液壓驅(qū)動[6]。

2007年，美國Sarcos公司研制出一款外骨骼機器人XOS，該型外骨骼機器人采用液壓驅(qū)動，質(zhì)量70 kg，可以在背負重物的情況下保持正常速度行走。而且該公司于2010年研發(fā)出XOS-2型全身外骨骼機器人，大幅提高負荷能力，采用外部電源供能[7]。2019年，該公司又推出一款用于快速搬運貨物的外骨骼機器人GuardianXO，可以將佩戴者的力量放大近20倍，并可以實時準確反映佩戴者的運動操作[8]。

2010年，伯克利仿生科技公司推出HULC下肢外骨骼助力系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有提高佩戴者的最大承重能力介于68~91 kg之間、降低佩戴者的代謝成本2大優(yōu)勢，采用電池驅(qū)動，通過可以選擇配置的承載部件搭載約91 kg的負載，把重量均勻分布在承載系統(tǒng)上，使得不需要穿戴者來承重[9]。2017年，洛克希德·馬丁公司又推出一款下半身可穿戴膝關(guān)節(jié)助力外骨骼ONYX，該系統(tǒng)可以有效減輕佩戴者背部及腿部的負荷，采用電機驅(qū)動，可以有效協(xié)助佩戴者托舉重物或者在斜坡行走[10]。幾種外骨骼機器人如圖1至圖5所示。

圖1 BLEEX

圖2 ExoHiker

圖3 ExoClimber

圖4 XOS-2

圖5 HULC

2011年，法國RB3D公司研發(fā)的“大力神”外骨骼裝置質(zhì)量約17 kg，能夠托起60 kg的重物，系統(tǒng)采用動力電池組供電，“大力神”突出的特點就是沒有采用任何傳感器記錄人體的運動信息，而是基于控制算法，使其了解佩戴者所表達的意圖并完成相應(yīng)的動作[11]。2015年，加拿大仿生動力公司研制出一種被動式可穿戴外骨骼裝置PowerWalk，其最大的特點為能夠吸收膝關(guān)節(jié)彎曲的能量來進行發(fā)電，極大地節(jié)省了進行任務(wù)時的能源消耗[12]。2019年，加拿大渥太華大學(xué)開發(fā)了一種被動步行輔助外骨骼機器人（PWAE），該系統(tǒng)由2個支撐腿及座椅框架組成，質(zhì)量約為5.68 kg，根據(jù)實際測試，佩戴者在站立及行走時可以獲得較大的外骨骼額外支撐[13]。2020年，德國仿生學(xué)公司German Bionics推出第四代Cray X外骨骼機器人，并采用碳纖維設(shè)計與電池驅(qū)動，通過在工人背上提供支撐使得工人在舉起重物時免受重物過度的壓力，進而提高工人安全性與工作效率，在這款外骨骼機器人身上還創(chuàng)新性地運用了集成云接口、物聯(lián)網(wǎng)等智能技術(shù)[14]。

1.2 日韓

2009年，日本筑波大學(xué)基于幫助健康人增強力量，開發(fā)出一種下肢運動輔助外骨骼（HAL）[15]。經(jīng)過多年發(fā)展，HAL外骨骼已經(jīng)發(fā)展至HAL-5版本，HAL-5的質(zhì)量約23 kg，其擁有8個可控關(guān)節(jié)，包括下肢關(guān)節(jié)與上肢關(guān)節(jié)，由電機驅(qū)動，值得注意的是該型號外骨骼采用肌電信號作為穿戴者運動信息的輸入控制信號，并通過電機控制關(guān)節(jié)運動[16]。此外，近年日本還研究了幾款優(yōu)秀的外骨骼機器人，包括W.W.H-KH、Musclesuit等。

2014年，韓國漢陽大學(xué)開發(fā)出一款外骨骼輔助機器人HEXAR，用于協(xié)助個人承擔重物，在髖關(guān)節(jié)利用恒力機制承擔上部外骨骼系統(tǒng)的重量，在踝關(guān)節(jié)承擔外骨骼系統(tǒng)的總重量，通過利用自身的彈性勢能為行走提供動力[17]。2018年。韓國漢陽大學(xué)提出了負重型下肢膝關(guān)節(jié)外骨骼機器人，可以在膝關(guān)節(jié)伸展過程中進行機械鎖定，并將載荷轉(zhuǎn)移到地面，并且還可以在膝關(guān)節(jié)處于擺動階段時松開鎖扣，隨佩戴者運動[18]。幾種外骨骼機器人如圖6至圖10所示。

圖6 大力神

圖10 HEXAR

2 國內(nèi)可穿戴外骨骼機器人研究現(xiàn)狀

我國在可穿戴外骨骼機器人技術(shù)研究方面起步較晚、投入較少，與美國、日本仍存在較大差距，目前國內(nèi)研究仍處于關(guān)鍵技術(shù)突破與試制樣機階段，許多諸如機械、傳動、傳感和控制等關(guān)鍵技術(shù)仍在研究與驗證中，在外骨骼商業(yè)化應(yīng)用上發(fā)展緩慢。

2007年，海軍航空工程學(xué)院設(shè)計的NAEIES外骨骼采用電機和氣動彈簧驅(qū)動，并多次仿真研究裝置控制方法，當前該型外骨骼機器人已發(fā)展三代，第三代由空氣彈簧和電纜電機驅(qū)動，部分結(jié)構(gòu)由碳纖維制成，載重量較大，設(shè)計優(yōu)秀，可以完成上、下和蹲等動作[19]。2008年，華東理工大學(xué)研制出ELEBOT外骨骼機器人，采用液壓驅(qū)動，通過足底壓力傳輸信息和識別動力傳感器信息獲取佩戴者行動意圖[20]。2016年，北京工業(yè)大學(xué)的第三代負重外骨骼，由液壓驅(qū)動，采用電池供電，可以在負載情況下完成上下樓梯、爬坡等動作[21]。2016年哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了HIT-LEX外骨骼機器人，其與人體運動的協(xié)調(diào)性較為出色[22]。2020年北京航空航天大學(xué)設(shè)計了一款輔助下肢運動功能障礙患者的被動下肢外骨骼，其有著較為出色的重力補償性能[23]。此外，還有中國兵器工業(yè)第二〇二研究所、航天18所等單位也在進行著相關(guān)研究。

圖7 PWAE

圖8 Cray X

圖9 HAL-5

3 可穿戴外骨骼機器人發(fā)展難點

在軍事領(lǐng)域，針對提高單兵作戰(zhàn)需求，目前現(xiàn)有的軍用外骨骼系統(tǒng)綜合助力效果不明顯，單兵體能消耗并沒有得到有效減少，而且當前可穿戴外骨骼機器人大多十分笨重，難以在較為復(fù)雜的地形環(huán)境下進行有效移動。另外，人機交互機制的不成熟造成穿戴舒適性、人機協(xié)同控制性較差。在民用領(lǐng)域，當前外骨骼機器人有著難以完成較復(fù)雜的動作、對于患者的主動適應(yīng)性較差、實際應(yīng)用中信息提取與交互能力較弱、成本高昂和難以大范圍推廣等缺陷[24]。因此，當前可穿戴外骨骼機器人面臨的挑戰(zhàn)與難點可以概括為安全可靠的控制、穿戴者與裝備間的有效交互、裝置的主動適應(yīng)性、裝備的輕量化、長時間續(xù)航及智能化等問題。

4 結(jié)束語

可穿戴外骨骼機器人要求系統(tǒng)具有高度的人機相容性與交互性，從科學(xué)研究的角度看，針對當前可穿戴外骨骼機器人研究的技術(shù)難點與瓶頸，包括人機耦合、人體運動信息識別、自適應(yīng)性和安全控制等技術(shù)點仍需不斷突破，科研人員在新材料、新傳感和新驅(qū)動等方面仍需展開深入研究，以完善外骨骼機器人的短板。從發(fā)展趨勢來看，可穿戴外骨骼機器人的輕量化、集成化、高效驅(qū)動與同步控制具有非常廣闊的前景，目前在能源技術(shù)尚未突破的基礎(chǔ)上，完善控制系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)，使之更加擬人化與高效，對提高人機交互水平與適應(yīng)性有著良好的促進作用，相信在社會多方努力下，定能推動外骨骼機器人的產(chǎn)學(xué)研合作，加快外骨骼機器人在軍事、民生等領(lǐng)域的應(yīng)用。