郝士沖

（北京 100086）

在眾多領(lǐng)域?yàn)槿梭w負(fù)重運(yùn)動(dòng)提供支撐和輔助的已經(jīng)成為近期國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用的熱點(diǎn)。但由于目前的技術(shù)不完善還無(wú)法大規(guī)模的使用，主要在人機(jī)電耦合控制技術(shù)、智能預(yù)測(cè)感知技術(shù)、大功率動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)等方面還存在技術(shù)瓶頸。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

1.1 機(jī)械外骨骼分類及作用

機(jī)械外骨骼根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和作用的不同主要分為：軍事外骨骼、民用外骨骼和醫(yī)療外骨骼。軍用機(jī)械外骨骼主要用于提高士兵的單兵作戰(zhàn)能力。該設(shè)備不光可以為士兵提供高效的負(fù)載能力和運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)本身集成了大量的武器裝備、通信系統(tǒng)、生命維持系統(tǒng)，使得士兵的作戰(zhàn)能力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力得到顯著提高。如美國(guó)的伯克利低位肢體外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton) 或稱作布利克斯(BLEEX) 和Raytheon Sarcos XOS。民用機(jī)械外骨骼主要用于裝備行動(dòng)不變的老人和殘疾人，使其重新具備行走能力。如日本的hal 和以色列的rewalk。醫(yī)療機(jī)械外骨骼可以幫助神經(jīng)受損行動(dòng)能力降低的病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，如北京大艾公司的下肢骨骼康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。機(jī)械外骨骼同時(shí)也是具有采集人體數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析高智能的機(jī)械設(shè)備。

1.2 機(jī)械外骨骼與人的耦合研究

人體本身是一個(gè)柔性的系統(tǒng)，肢體皮膚和肌肉具有很強(qiáng)的彈性，當(dāng)其表面通過(guò)綁帶與剛性外骨骼進(jìn)行連接，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，外部受剛性機(jī)械作用，則構(gòu)成了剛性和柔性混合的系統(tǒng)。在研究過(guò)程中，人體運(yùn)動(dòng)的控制主要靠大腦和肌肉骨骼運(yùn)動(dòng)完成，而機(jī)械外骨骼研究重點(diǎn)就側(cè)重于其隨動(dòng)能力。機(jī)械

外骨骼運(yùn)動(dòng)性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一則是判斷外骨骼是否能快速準(zhǔn)確的跟隨人體運(yùn)動(dòng)。人體可以正常行走，骨骼和肌肉皮膚組織耦合完美的原因，得益于柔性肌肉脂肪組織。因此通過(guò)綁帶將機(jī)械骨骼與人體表面束縛，其耦合度與綁帶肌肉柔性物質(zhì)的力學(xué)性息息相關(guān)。

除了人體柔性影響耦合度外，外骨骼的連接方式也尤為重要，它既可以是綁帶直接連接，也可以是其它特殊的連接方式，如 Hasegawa 為提高穿戴者的舒適性，采用氣墊（air mat）進(jìn)行人體和外骨骼的耦合，通過(guò)控制氣墊充放氣體而改變耦合強(qiáng)度，從而保證穿戴時(shí)的高剛度和脫下外骨骼時(shí)需要的低連接強(qiáng)度。同時(shí)不同年齡性別的人步態(tài)步長(zhǎng)單雙足支撐時(shí)間也不盡相同。目前在機(jī)械外骨骼中，美國(guó)洛克希德公司的HULC 表現(xiàn)突出，屬于力量增強(qiáng)型，通過(guò)先進(jìn)的步態(tài)識(shí)別技術(shù), 感知行走過(guò)程中不同人體的行走方式，然后反饋給控制器不斷按照人體結(jié)構(gòu)調(diào)整控制方式，更加符合人體的行走特性。HULC 基于電液私服驅(qū)動(dòng)隨控技術(shù)來(lái)抑制人機(jī)對(duì)抗，從而提高人機(jī)耦合度。

1.3 基于人機(jī)耦合的控制策略研究

高度的人機(jī)耦合是機(jī)械外骨骼研究追求的目標(biāo)，因此需要建立一種控制方法，當(dāng)在行走過(guò)程中，受到外界或者內(nèi)部等不確定因素干擾時(shí)，機(jī)械骨骼隨動(dòng)的滯后性可以被有效的抑制，從而減小人機(jī)的阻礙。這將是機(jī)械外骨骼能否在將來(lái)推廣應(yīng)用的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。人機(jī)耦合協(xié)行的實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)安裝在外骨骼上的傳感器如關(guān)節(jié)編碼器、陀螺儀、傾角儀、鞋底壓力傳感器和肌肉電傳感器等，測(cè)量運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的行動(dòng)信息并反饋給控制器，作為控制器的輸入，而控制器會(huì)根據(jù)信息作出行動(dòng)反應(yīng)，完成隨動(dòng)。也有學(xué)者在人機(jī)接觸之處安裝壓力傳感器，進(jìn)行阻抗控制。前者主要思想是根據(jù)傳統(tǒng)機(jī)器人步態(tài)識(shí)別與指令在線生成方法，實(shí)現(xiàn)外骨骼跟蹤人運(yùn)動(dòng)。后者主要采用靈敏度放大策略實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同控制。兩者的控制方式都需要基于人機(jī)耦合機(jī)理，因此合理的人機(jī)耦合模型，可以從理論上找到提高機(jī)器快速跟蹤人運(yùn)動(dòng)的措施，實(shí)現(xiàn)人機(jī)高度耦合。同時(shí)也應(yīng)當(dāng)盡量收集人類步態(tài)等方面的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，利用大量數(shù)據(jù)來(lái)尋找共同點(diǎn)從而更方便快捷的進(jìn)行人機(jī)匹配。

2 人機(jī)耦合度提升方法

基于上述研究，我們提出來(lái)人機(jī)耦合度的提升方法。因?yàn)槿说闹w具有一定的柔性和隨意性，這就使得其控制變得困難和復(fù)雜。盡管人體基本動(dòng)作模式（行走、上下斜坡、上下樓梯、下蹲起立等）是可枚舉的，但是各種動(dòng)作模式中包含的運(yùn)動(dòng)特征信息是無(wú)限的，而且每個(gè)人的步態(tài)步長(zhǎng)單雙足支撐時(shí)間也是迥異的。另外，人與外骨骼接觸時(shí)產(chǎn)生阻抗力的動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜，并具有非光滑等強(qiáng)非線性特性。同時(shí)外骨骼屬于剛性物體，兩者的結(jié)合則構(gòu)成了一個(gè)剛性和柔性的混合系統(tǒng)。對(duì)于剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的控制首先需要確定耦合方式和耦合位置進(jìn)行，耦合方式和耦合位置的不同會(huì)產(chǎn)生不同的人機(jī)運(yùn)動(dòng)效果。另一方面人體不同位置和人體屬性（身高、年齡、體重）對(duì)于阻抗力又有不同的靈敏度。

因此建立一套人機(jī)耦合效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可以為提高人機(jī)耦合控制提供解決辦法。通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)有助于合理人機(jī)耦合布局的設(shè)計(jì)，可以為人機(jī)攜行運(yùn)動(dòng)時(shí)阻抗力對(duì)人體約束的靈敏度和無(wú)主動(dòng)控制情況下機(jī)械外骨骼可穿戴的舒適性提供指導(dǎo)。將指標(biāo)反饋信息作為控制的輸入，不斷的進(jìn)行調(diào)整，從而更好的完成人機(jī)耦合控制問(wèn)題。