孫偉

(山東科技大學(xué)機電學(xué)院 山東 青島 266590)

簡述外骨骼機器人國內(nèi)外現(xiàn)狀

曲彩梅喬羽高鵬孫鵬偉

(山東科技大學(xué)機電學(xué)院山東青島266590)

外骨骼機器人是目前機器人領(lǐng)域研究和發(fā)展的一個重要項目，即可穿戴型助力機器人，外骨骼是指通過穿戴到使用者身上，輔助使用者進行動作。例如行動不便的老年人或者是殘疾人，可以幫助他們實現(xiàn)基本的生活自理，擺脫不能站立的命運，像正常人一樣行走。

外骨骼；助力機器人

一、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代化的快速發(fā)展和生活水平的不斷提高，人類在努力探索用更智能的工具來代替或輔助人類勞動，來減輕人類的負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)的體力勞動作業(yè)，不僅耗時耗力，并對勞動者的身體健康帶來了很大的傷害。外骨骼機器人的誕生在很大程度上改變了這種局面，它可以把勞動者從傳統(tǒng)的重體力作業(yè)中解放出來，大大減輕了勞動者的勞動負(fù)擔(dān)而且提高了生產(chǎn)效率。外骨骼機器人的研究是十分必要的。研究開發(fā)一種穿戴舒適的，可以為老年人提供助力的外骨骼使其能夠幫助老年人行走、上下樓梯、適當(dāng)負(fù)重等將會節(jié)省出長期照顧老年人的那部分人力資源，具有重要的社會和經(jīng)濟價值。雖然傳統(tǒng)輪式交通工具是遠行與負(fù)重的主要方式，但是它對路面環(huán)境等要求較高，很多領(lǐng)域仍然無法進入。比如在軍事、科考、消防營救等領(lǐng)域，士兵、科考人員及消防營救人員常常需要長距離行走、背負(fù)重物、運送傷員、野外作業(yè)、登山探險等，這些特殊形式的運動無法借助傳統(tǒng)的交通工具完成且對運動者的身體素質(zhì)要求很高?；谲娛?、科考、消防等領(lǐng)域的需求，助力機器人融入了機器人學(xué)、人機工程學(xué)、控制工程、仿生學(xué)等多門學(xué)科，在輔助醫(yī)療設(shè)備、娛樂、體育、軍工等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

二、國外研究情況

美國通用電氣公司研制出Hardiman，旨為緩解士兵執(zhí)行任務(wù)是負(fù)重減輕，緩解作戰(zhàn)行進疲勞，但其體積巨大且笨重，未達到預(yù)期效果。

美國加州大學(xué)研發(fā)BLEEX外骨骼機器人，該系統(tǒng)由兩條液壓驅(qū)動的仿生機械腿、一個動力提供單元、一臺微型計算機和一個背包架并附加多個傳感器，其中機械腿包括了髖部、大腿、膝部、小腿、腳踝等，采用類人化設(shè)計。這樣使得外骨骼機器人與穿戴者能夠精確地連接在一起，BLEEX外骨骼機器人的每條機械腿都設(shè)計為7個自由度，BLEEX外骨骼的整體質(zhì)量約為45kg，穿戴者身著此裝備，即使在負(fù)重35kg的情況下，仍然可以活動自如[1]。

日本神奈川理工大學(xué)研制的可穿戴助力外骨骼(Power AssistSuit，PAS)于上個世紀(jì)九十年代問世。其包括了機械肩、機械臂、軀干、腰部和機械腿等類人結(jié)構(gòu)，質(zhì)量約為30kg。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[2]。

HAL是當(dāng)時國外某大學(xué)研制出的世界上第一種商業(yè)外骨骼機器人，HAL機械腿的運動是由使用者通過自動控制器進行控制，是一個可穿戴的混合控制系統(tǒng)。國外某機器人研究院在與筑波大學(xué)合作開發(fā)HAL-3的基礎(chǔ)上研制成功一種助行器，助行器由鞋子，框架，座位三部分組成，隨時都可以當(dāng)做椅子休息，可以支撐人的一部分體重，減少人的身體對腿部的負(fù)荷。不僅可以用來幫助老年人行走，還可以用于幫助某些工種的工人提高工作效率。目前該助行器已作為助力產(chǎn)品銷售，獲得了實際應(yīng)用。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。HAL-5是經(jīng)過改良的外骨骼機器人，其工作原理和之前的HAL類似，只是在原有的基礎(chǔ)上增加了上肢助力部分。

2013年6月，美國哈佛大學(xué)設(shè)計研發(fā)出一款機械外骨骼，并命名為機器護甲(Exosuit)，它采用的柔性化設(shè)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7.5kg，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。

三、國內(nèi)研究情況

中科院合肥智能研究所研制的外骨骼機器人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(yù)判[5]。其共有12個自由度，髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)屈伸為主動關(guān)節(jié)，共由4個伺服電機驅(qū)動。為感知助力腿的運動狀態(tài)，并通過電機編碼器獲得髖、膝關(guān)節(jié)的運動信息。在控制上采用了基于多維力信息預(yù)測人體運動意圖，結(jié)合關(guān)節(jié)信息判斷助力腿當(dāng)前狀態(tài)，并通過調(diào)整人-機接觸部位假想質(zhì)量、假想彈性和阻尼實現(xiàn)柔順控制[3-4]。

四、結(jié)論

近年來，隨著機器人技術(shù)、仿生技術(shù)、人機互融技術(shù)、機電工程、控制工程、生物科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，下肢外骨骼助行機器人在個性化、定制化、智能化以及穿戴的便攜性等方面都有著突破性的發(fā)展，對于未來人類的發(fā)展具有巨大的推動性力量。

[1]Kazerooni H，Steger R，Li H.Hybrid control of the Berkeley lower extremity exoskeleton(BLEEX)[J].The International Journal of Robotics Research，2006，25(5)：561-573.

[2]陳浩.外骨骼機器人設(shè)計[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[3]Shigeki Toyama，Gohei Yamamoto.Development of Wearable-Agri-Robot:Mechanism for Agricultural Work[C].Proceeding of the 2009IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems，2009：5801-5806.

[4]方郁.可穿戴下肢助力機器人動力學(xué)建模及其控制研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[5]丁學(xué)恭.機器人控制研究[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2006：56-90.

曲彩梅(1991-)，女，漢族、碩士研究生，山東科技大學(xué)，研究方向機器人技術(shù)。