邢 凱，趙新華，陳 煒，侍才洪，郭 月，張西正

外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

邢 凱，趙新華，陳 煒，侍才洪，郭 月，張西正

闡述了外骨骼機器人的研究意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點介紹了幾款具有代表性的外骨骼機器人,并對其基本性能參數(shù)進行了分析。詳述了當前外骨骼機器人在設計研制過程中的關鍵技術，其中包括外骨骼機器人的上肢結構設計、傳感系統(tǒng)及人機智能控制系統(tǒng)，并列舉出對應的典型代表。最后，對外骨骼機器人的發(fā)展前景進行了展望。

外骨骼；機器人；人機結合

0 引言

近20 a來，外骨骼機器人作為一款輔助人體康復的裝備得到了廣泛的應用。民用領域方面，外骨骼機器人可以幫助老年人正常行動；醫(yī)療領域方面，外骨骼機器人在輔助殘疾人正常生活的同時，也大大減輕了醫(yī)務人員的工作壓力；軍事領域方面，外骨骼機器人可以提高戰(zhàn)場的救援效率，幫助更多的受傷人員。由于外骨骼機器人在各領域發(fā)揮的巨大作用，使得其發(fā)展前景十分廣闊[1]。

1 外骨骼機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，大多數(shù)國家的科研機構對外骨骼機器人的研究都處于基礎起步階段，比較領先的國家主要是美國和日本。法國、俄羅斯、韓國等也在外骨骼機器人技術上有所建樹。而我國對外骨骼機器人領域的探索比較晚，但隨著外骨骼機器人在社會上的需求量不斷增大，我國國家自然科學基金、863和科技支撐計劃等也逐漸開展了相應的研究[2]。

1.1 國外的研究現(xiàn)狀

20世紀60年代，美國通用電氣公司首次提出并開展了關于增強人體機能的增力型外骨骼機器人的探索。經(jīng)過不懈努力，終于研制出最早的可佩帶的單兵裝備—哈迪曼（Hardiman）（如圖1所示）。這個項目的研究初衷是為了緩解士兵因執(zhí)行負重遠距離任務而產(chǎn)生的疲勞，但是由于是外骨骼機器人的探索初期，它的體積巨大且笨重，安全性不高，未能取得理想的結果[3]。

圖1 Hardiman外骨骼機器人

美國加州大學伯克利分校人機工程實驗室于2004年研發(fā)出一種下肢外骨骼機器人（Berkeley lower extremity exoskeleton，BLEEX），如圖2所示。它包括1個背包式的外架、2條機械腿及相關的液壓驅(qū)動裝置。其中機械腿的結構采用類人化設計，包括了髖部、大腿、膝部、小腿、腳踝等，這樣使得外骨骼機器人與穿戴者能夠精確地連接在一起，使穿戴者行動更加舒適。BLEEX外骨骼機器人的每條機械腿都設計為7個自由度，其中機械髖關節(jié)有3個自由度，機械膝關節(jié)有1個自由度，機械腳踝處有3個自由度，被驅(qū)動的自由度只有4個。BLEEX外骨骼的整體質(zhì)量約為45 kg，穿戴者身著此裝備，即使在負重35 kg的情況下，仍然可以活動自如[4]。

洛克希德·馬丁公司聯(lián)合加州大學伯克利分校共同推出了一款軍用下肢外骨骼機器人，并命名為HULC（human universal load carrier），如圖3所示。HULC的質(zhì)量約為32 kg，主要是由電池、驅(qū)動模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊等構成。它不僅在液壓系統(tǒng)的設計上更加合理高效，而且在機械腿的結構設計上也更加符合人體運動特點，滿足了士兵對靈活機動性和穩(wěn)定支撐性的需求[3]。

圖2 BLEEX外骨骼機器人

圖3HULC外骨骼機器人

2013年6月，美國哈佛大學設計研發(fā)出一款機械外骨骼，并命名為機器護甲（Exosuit），如圖4所示。它采用的柔性化設計，不僅能夠使穿戴者的下肢擺脫剛性材料的束縛，能夠更加自然地彎曲，而且能讓穿戴者承受更重的載荷。該機械外骨骼裝備是一款管型材料護甲，總質(zhì)量僅有7.5 kg，比一般的外骨骼機器人都要輕，這可能使其成為迄今為止穿戴最舒服的外骨骼機器人。

2011年，法國某防務公司與法國武器裝備總署公布了其聯(lián)合研制的可穿戴式外骨骼，并命名為“大力神”（HERCULE）（如圖5所示）。該機械外骨骼不僅可以應用于增強普通人體的負重能力，而且可以增強士兵的作戰(zhàn)持久力。它的機械結構主要是2條機械腿和背部水平支架，緩解了士兵執(zhí)行負重遠距離任務所帶來的傷害和疲勞。該外骨骼不僅適合軍事應用，也適合民用及醫(yī)療應用等領域[5-6]。

圖4 機器護甲

圖5 “大力神”外骨骼機器人

2009年10月，俄羅斯宣布斥資3 500萬美元研制外骨骼機器人，命名為勇士-21（如圖6所示）。它主要是由背包式外架、2條金屬腿等構成。該外骨骼的研制目標主要是為了軍事應用?！坝率?21”外骨骼機器人的優(yōu)勢在于它的金屬材料部件全部采用納米技術，比其第一代外骨骼裝備在質(zhì)量上減輕了14 kg。這不僅提高了士兵的機動性和靈活性，更是減少了電池的消耗，從而延長了它的使用時間[7]。

日本神奈川理工大學（Kanagawa University of Technology）研制的可穿戴助力外骨骼（Power Assist Suit，PAS）于1991年問世（如圖7所示）。這款可穿戴助力外骨骼是一款全身外骨骼機器人，包括了機械肩、機械臂、軀干、腰部和機械腿等類人結構，質(zhì)量約為30 kg。實驗證明，它可以增加普通人體力量的0.5～1倍，并已經(jīng)達到了讓醫(yī)護人員更加方便地照顧殘疾人的目的[8]。

圖6 勇士-21外骨骼機器人

圖7 日本神奈川理工大學PAS

圖8 HAL-5外骨骼機器人

日本筑波大學Cybernics實驗室于2002年研發(fā)出一款穿戴型助力機器人，并命名為HAL（Hybrid Assistive Leg）。該裝備的研究目標是幫助年邁者及殘疾人進行正常的運動。3 a之后，HAL已經(jīng)發(fā)展到第5代產(chǎn)品HAL-5，如圖8所示。該外骨骼機器人不僅可以用于加強正常人體的運動能力，還可以用于輔助有傷病的殘疾人進行正常行走。HAL-5的質(zhì)量約為15 kg，它的整個系統(tǒng)可以承受140～220 kg的重物。HAL-5系統(tǒng)配備較多的傳感器，其中角度傳感器、肌電傳感器、壓力傳感器等元件可以實時地獲取外骨骼人機系統(tǒng)的運動信息，然后發(fā)送給處理器，經(jīng)過處理后的信息通過驅(qū)動電動機使各個執(zhí)行元件運動。HAL-5將驅(qū)動裝置、測量裝置、動力裝置等全部都集成在背包中，使整個裝備緊湊方便，更好地輔助了穿戴者的運動[8]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2004年，海軍航空學院開展了關于外骨骼技術的研究，并于2006年首次推出了第一代外骨骼機器人（如圖9所示），2 a之后又展示了第二代外骨骼機器人，如圖10所示。該裝備以電池為能量來源，通過安置于足底的壓力傳感器收集步態(tài)信息，然后通過微處理器發(fā)出信息驅(qū)動電動機輸出動力，從而實現(xiàn)了穿戴者的負重行走[9]。

圖9 第一代外骨骼機器人

圖10 第二代外骨骼機器人

中國科學院自2004年開始就外骨骼機器人的研究開展工作，經(jīng)過不懈的努力終于研制出了一種下肢外骨骼機器人，如圖11所示。該系統(tǒng)在單條機械腿上配置了6個自由度（機械髖關節(jié)3個，機械膝關節(jié)1個，機械踝關節(jié)1個，足底1個），它采用電池為能源，并且在外骨骼架上安裝了多種傳感器和編碼器，通過這些感知系統(tǒng)裝置獲取人體的運動信息，最后采用伺服電動機驅(qū)動方式協(xié)調(diào)并輔助穿戴者運動[10]。

除此之外，哈爾濱工業(yè)大學開展了關于康復訓練的外骨骼機器人的研究；上海大學和浙江大學也分別研制出了不同用途的下肢外骨骼機器人；清華大學、陸軍第二炮兵學院、中科院合肥智能研究所、東南大學、海軍航空工程學院、南京理工大學、上海大學、浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學、東南大學、中國科學技術大學等科研單位也逐漸開始了外骨骼機器人技術的研究[11]。

圖11 中科院外骨骼機器人

2 外骨骼機器人的關鍵技術分析

外骨骼機器人是一種可穿戴式的機電智能機器人，為了能讓外骨骼機器人發(fā)揮最大的作用，對其關鍵技術的分析研究是必不可少的。

2.1 外骨骼機器人的上肢結構

為了讓外骨骼機器人與穿戴者之間實現(xiàn)良好的運動耦合性，在進行機械結構部分的設計與分析時，應該充分考慮到安全、輕便、靈活、舒適等因素[12]。

外骨骼機器人下肢基本上都采用了擬人化的設計思想，方便于后背承載負重，但不適合搬運位于穿戴者前方的物體，這給穿戴者的工作帶來了很多困難。針對這一情況，外骨骼機器人的上肢應運而生。但是對于外骨骼機器人上肢的設計，各個國家都有不同的結構設計思路。一種認為外骨骼機器人上肢也要與穿戴者的身體進行直接接觸，應盡量采用擬人化的設計思路，這樣才能使外骨骼機器人具有很好的可穿戴性，如圖12、13所示。另一種則認為外骨骼機器人應該在保證完成任務的前提下，盡量簡化上肢的機械機構，這樣不僅可以降低設計難度，更節(jié)省了財力物力，如圖14所示[13]。

圖12 HAL-5外骨骼機器人上肢

圖13 XOS外骨骼機器人上肢

圖14 HULC外骨骼機器人上肢

2.2 傳感系統(tǒng)

為了能夠準確地獲得穿戴者的運動信息，外骨骼機器人需要一個人機交互系統(tǒng)，這就是傳感系統(tǒng)。一個完整的傳感系統(tǒng)是由各類不同的傳感器組成的，外骨骼機器人正是通過它們才能對穿戴者的運動信息進行全面識別[14]。

美國BLEEX外骨骼機器人在其機械腿上裝配了40多個傳感器，其中包括了壓力傳感器和陀螺儀等，這些傳感器實時地檢測和分析人體的運動信息，保證了外骨骼機器人與穿戴者的協(xié)調(diào)配合[15]。日本HAL-5的傳感系統(tǒng)主要由壓力傳感器和生物電信號傳感器組成，它的特點在于可以依靠穿戴者的肌電信號來控制動力裝置。而我國在外骨骼機器人的傳感系統(tǒng)上也做了相應研究。中科院合肥智能研究所研制的外骨骼機器人也分別在足底和連桿裝配了一維和三維力傳感器，通過測量力的大小來對人體的運動進行預判[16]。中國科學技術大學研制的外骨骼機器人的傳感系統(tǒng)包括：力傳感器、加速度傳感器和角度傳感器。其中力傳感器用來測量地面對人機系統(tǒng)的反作用力，角度傳感器用于測量關節(jié)的轉動角度[17]。

參考以上外骨骼機器人的傳感系統(tǒng)，本課題組也做了相應的工作[18]，并設計出一種由壓力傳感器和傾角傳感器組成的傳感系統(tǒng)。壓力傳感器選用的是美國Tekscan公司生產(chǎn)的薄膜壓力傳感器A401，如圖15所示。將6個壓力傳感器分別置于左右傳感靴底部，用于測量足底壓力。傾角傳感器選用的是瑞芬科技有限公司生產(chǎn)的LCA320傾角傳感器，如圖16所示，將4個傾角傳感器分別置于左右腿的大腿和小腿部分，用于測量角度變化。

圖15 A401薄膜壓力傳感器

圖16 LCA320雙軸傾角傳感器

2.3 人機智能控制系統(tǒng)

外骨骼機器人區(qū)別于其他機器人的最大特點是人機交互。這不僅需要它的機械結構與穿戴者之間的交互性要好，而且還要求控制系統(tǒng)能快速、準確地反應穿戴者的運動。根據(jù)智能系統(tǒng)的綜合一體化思想，可以將控制系統(tǒng)從感知、決策及執(zhí)行3個方面加以考慮。

感知層面的主要功能是收集生理信息和物理信息等。日本HAL系列的外骨骼機器人通過肌電傳感器采集皮膚的生理信息來控制穿戴者運動，而通過壓力傳感器、傾角傳感器測量重力、角速度和角加速度等物理信息。當遇到一些比較復雜的問題時，就需要外骨骼機器人和穿戴者共同協(xié)調(diào)解決，這就涉及到了決策層面，它的模式通?？梢苑譃槿酥鳈C輔、機主人輔和人機協(xié)調(diào)3種。執(zhí)行層面指的是執(zhí)行機構接受到從決策層面?zhèn)鱽淼男盘?，最終完成對人體運動的輔助功能[19]。

人機智能控制系統(tǒng)通過以上3個層面就可以快速準確地反應穿戴者的運動信息，從而實現(xiàn)人機協(xié)調(diào)控制。

3 結語

伴隨著生物技術、機電液一體化技術、控制方法技術等的不斷融合和發(fā)展，外骨骼機器人技術也在不斷成熟。以外骨骼機器人為基點，可以將其技術擴展到很多領域。例如，用于康復機器人的研發(fā)，可以幫助病患盡快恢復健康；用于假肢的研究，可以使殘疾人像正常人一樣生活。

通過對外骨骼機器人的機械結構進行改進，使其實現(xiàn)對人體運動零干涉的目標。對外骨骼機器人的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，建立合適的運動趨勢預測機制和自主適應學習機制。相信不久的將來，外骨骼機器人必將為人們提供更好的服務[20]。

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（收稿：2014-06-06 修回：2014-09-12）

Research situation and development trend of robot exoskeleton

XING Kai1,ZHAO Xin-hua1,CHEN Wei1,2,SHI Cai-hong1，2,GUO Yue1,ZHANG Xi-zheng1,2
（1.School of Mechanical Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China; 2.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China）

The significance and research situation of exoskeleton robots at home and abroad are introduced,focusing on several typical exoskeleton robots and the analysis of their basic parameters.The development of key technologies during the study of exoskeleton robots is also introduced,including the upper structure of mechanical design,sensor system and human intelligent control system,then some correspondingly typical models are listed.Finally,the prospect of exoskeleton robots is presented as well.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：104-107]

exoskeleton;robot;human-computer cooperation

R318；TP242.6

A

1003-8868（2015）01-0104-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.104

國家自然科學基金資助項目（11302147，51275353）；天津市高等學校科技發(fā)展基金計劃項目（20100402）；中國博士后科學基金項目二等（軍隊系統(tǒng)）；天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應用重點實驗室資助項目

邢 凱（1988—），男，主要研究方向為機器人學，E-mail：150036 0956@qq.com。

300384天津，天津理工大學機械工程學院（邢 凱，趙新華，陳煒，郭 月，張西正）；300161天津，軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所（陳煒，侍才洪，張西正）

張西正，E-mail：z56787@sohu.com