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(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京 100076)

0 引言

外骨骼機器人是一類模仿人體生理構(gòu)造、能被人穿戴、協(xié)同穿戴者運動的同時輔助穿戴者的智能機械裝置。它穿戴在操作者身體外部，為穿戴者提供支撐保護的同時，還可以為人體提供額外的動力和感知能力。外骨骼機器人可以提高人們在行走耐久性、負重能力等特定方面的體能[1]。外骨骼技術(shù)是人體與機器的完美融合，穿戴者和外骨骼形成了一個“人在回路”的閉環(huán)協(xié)同系統(tǒng)。機器通過多種傳感器實時感知穿戴者的運動狀態(tài)和運動意圖，并進行實時分析，快速做出反應，以實現(xiàn)人機多自由度、多運動狀態(tài)的運動輔助，并對穿戴者的行為運動進行放大，提升人體機能[2]。

外骨骼機器人與一般機器人最大的區(qū)別是，它是與人體實時、高度結(jié)合、交互的，屬于智能交互人-機工程，通過實時判斷感知人體的運動趨勢，為其提供額外的助力和感知能力。

由于可穿戴外骨骼機器人展現(xiàn)出的特殊性能和應用前景，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)均已開展該領域的研究工作，現(xiàn)予以分別介紹。

1 國外研究現(xiàn)狀

自1965年開始，美國國防部開始支持研發(fā)可穿戴式外骨骼機器人。近年來，得益于高性能微處理器、新型材料和高精密傳感器等相關(guān)技術(shù)的進步，外骨骼機器人正在蓬勃發(fā)展。近年來的代表成果有美國雷神公司的XOS2系統(tǒng)、洛馬公司的HULC系統(tǒng)、伯克利大學的BLEEX系統(tǒng)、日本筑波大學的HAL系統(tǒng)、瑞士的六自由度ARMin康復機器人等，下面選取典型的前2種機器人予以介紹。

1.1 美國雷神公司的XOS2系統(tǒng)

美國Raytheon公司的XOS2樣機是目前領域內(nèi)最先進的外骨骼機器人，是全身外骨骼系統(tǒng)，采用高壓液壓系統(tǒng)驅(qū)動，力量強度放大17倍，最高負重可到90 kg，可擊穿76.2 mm厚的木板。穿戴者能靈活運動，進行如俯臥撐、爬樓梯和踢足球等復雜運動。但是該系統(tǒng)并未集成泵源和動力模塊，而是采用外部獨立液壓源的方式驅(qū)動機器人運行，因此它最大的缺陷是要拖著外接油管和電纜行進，而自帶電池只夠使用40 min。因此能源動力問題是該系統(tǒng)最需要解決的問題。XOS2系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 美國雷神公司的XOS2系統(tǒng)

1.2 美國洛馬公司的HULC系統(tǒng)

美國洛馬公司的HULC系統(tǒng)是真正交付軍方使用的外骨骼機器人，它使用2塊總質(zhì)量3.6 kg的鋰聚合物電池作為動力源，采用液壓作動器對下肢膝關(guān)節(jié)進行驅(qū)動，如圖2所示。它不但能夠直立行走，還能完成下蹲和匍匐等多種復雜動作。它使士兵背負或搬運50 kg作戰(zhàn)物資長途跋涉而不影響戰(zhàn)斗力[3]。它的電源可以保證穿戴者負重后以4.8 km/h的速度行進1 h，跑步速度可達16 km/h[4]。

圖2 美國洛馬公司的HULC系統(tǒng)

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)開展可穿戴外骨骼的研究機構(gòu)和公司也非常多，包括華東理工大學的下肢ELEBOT系統(tǒng)、浙江大學的下肢液壓和氣動外骨骼、哈爾濱工業(yè)大學下肢外骨骼機器人樣機、國防科技大學的液壓驅(qū)動上肢外骨骼機器人、電子科技大學液壓驅(qū)動的下肢外骨骼機器人、北京郵電大學的外骨骼遙操作主手、兵工集團西北機電工程研究所的單兵外骨骼，以及上海傅利葉公司的下肢康復機器人Fourier X1等。下面選取典型的后2種機器人進行介紹。

2.1 兵工集團單兵外骨骼機器人

2012年，兵工集團西北機電工程研究所率先在國內(nèi)成功研制了電液驅(qū)動的外骨骼可穿戴機器人實用化裝備，在負重助力型外骨骼可穿戴機器人研究領域處于國內(nèi)領先地位。該樣機自重不大于35 kg，最大負荷60 kg，步速4.5 km/h，支持平地行走、上下斜坡、上下臺階和下蹲起立等復雜運動，可兼容背負和搬運2種工作方式，續(xù)航時間大于1 h，可適應身高范圍1.6～1.85 m。樣機如圖3所示[5]。

圖3 兵工集團單兵下肢外骨骼

2.2 傅利葉公司的Fourier X1

2017年的3月17日，由上海傅利葉智能科技有限公司自主研發(fā)的下肢康復機器人Fourier X1正式對外發(fā)布，這是國內(nèi)首款正式投入商業(yè)化運營的外骨骼機器人，可幫助下半身癱瘓的患者實現(xiàn)坐、站、行走、上下樓梯等基本功能，如圖4所示。傅利葉的這款機器人，可通過多種傳感器感知患者的意圖，帶有觸覺和智能感知技術(shù)，能夠通過力傳感器、足底的壓力和傳感信號識別使用者的走路意識，幫助患有肢體運動障礙的用戶進行康復訓練和正常行走。

圖4 傅利葉公司的Fourier X1

3 關(guān)鍵技術(shù)

可穿戴外骨骼機器人，是將機電一體化、生物力學、人體傳感網(wǎng)絡、步態(tài)分析和智能化等多領域科技融合而成的高技術(shù)產(chǎn)物，與這個領域相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)如下所述。

3.1 新型傳感元件

外骨骼機器人系統(tǒng)用到的傳感器，可分為采集穿戴者交互信息的傳感器和采集機器人自身狀態(tài)的傳感器，由于受體積、重量、外形結(jié)構(gòu)等限制，通常需要研究者根據(jù)實際情況自行設計所需要的傳感元件。有些系統(tǒng)采用應變片組建的惠更斯電橋作為敏感單元，應用于足底的壓力檢測；有些系統(tǒng)采用微型光學器件的拉壓力傳感器，還有些系統(tǒng)采用微型敏感元件陣列等，以測量穿戴者施加在綁帶上的接觸應力，從而計算操作者的運動意圖。

3.2 新型執(zhí)行元件

新型作動器的研究需關(guān)注阻抗特性、響應速度、安全性等問題。目前，應用最廣泛的是串聯(lián)彈性轉(zhuǎn)動作動器(圖5a)，該類型作動器是在關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機與機械之間添加1個彈簧，通過測量彈簧形變可以得到作動器的輸出扭矩，從而實現(xiàn)關(guān)節(jié)的扭矩控制和阻抗控制。

除此以外，還有采用電機、帶輪實現(xiàn)的剛度可變的作動器，可調(diào)串聯(lián)彈簧的變剛度作動器，并聯(lián)-串聯(lián)作動器，以及氣動人工肌肉(圖5b)等多種新型執(zhí)行元件[1]。

圖5 新型執(zhí)行元件

3.3 新型控制方式與控制策略

可穿戴外骨骼的控制技術(shù)，一是指控制方式，二是指控制策略。在控制方式上，現(xiàn)已有肢體映射控制、生物電(如腦電、肌電)控制、直接力反饋控制和體域網(wǎng)傳感反饋控制等多種方式。新型控制方式如圖6所示。肢體映射控制就是指利用人體自身動作控制機器人的運動，這在外骨骼機器人研究中應用最為普遍。生物電控制是通過測量人體生理電信號(如腦電、肌電等) 實現(xiàn)對機械部分的控制，目前最成功的產(chǎn)品是日本的HAL外骨骼機器人。

圖6 新型控制方式

直接力反饋控制是通過在人體與機器所有接觸點安裝力傳感器，當肢體運動時，各接觸點的作用力發(fā)生改變，引起外骨骼產(chǎn)生相應的動作，實現(xiàn)外骨骼和肢體間的協(xié)同運動。體域網(wǎng)傳感反饋是通過遍布于身體各處的傳感器實時采集身體的運動信息，并實時計算出所需要的力量分配，以達到機器人與人體之間的協(xié)同運動，美國伯克利大學的BLEEX系統(tǒng)就是代表性產(chǎn)品。

而控制策略包括2方面，一是機器人肢體預期做出何種動作，二是機器人肢體如何完成預期動作。前者涉及到外骨骼機器人集成的各路傳感器信息融合處理，進而實現(xiàn)穿戴者運動意圖的獲取，以及機器人肢體運動模式的選取(關(guān)節(jié)位置控制、力控制等)；后者則包含機構(gòu)動力學、控制器軟硬件設計等。采用的方法包括關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與人體的耦合關(guān)系建模策略，人體與外骨骼相互作用抽象建模成虛擬阻抗策略，慣性測量單元感知策略等技術(shù)。

3.4 高功率密度動力源

外骨骼裝備要求高效、長久、輕便、安全地能源供給，動力源問題是外骨骼機器人的關(guān)鍵難題之一，尤其是室外應用的外骨骼機器人，通常難以獲得外部能源供應。因此，自身能否實現(xiàn)可靠、高密度、長續(xù)航時間的集成動力能源供應，是外骨骼機器人能否實現(xiàn)室外使用的核心問題之一，目前全球范圍內(nèi)還沒有更好的突破。如美國伯克利大學的BLEEX裝置集成了動力源，以背包的形式背在穿戴者身上，但系統(tǒng)體積、重量過大，動力源成為了主要負重，長時間使用會導致穿戴者膝蓋、脊柱、肩部不適；雷神公司XOS2系統(tǒng)自帶電源只能使用40 min，長時間使用必須依靠地面供電且連接油管，給使用帶來不便。

以蓄電池作為動力源的，工程實現(xiàn)簡單、易控制、噪聲小，但續(xù)航時間短、輸出功率低；采用液壓驅(qū)動的動力模塊，可提供較大的功率和相對較長的持續(xù)工作時間，但噪聲、振動、發(fā)熱量大，控制復雜。因此，針對室外應用的外骨骼機器人，需要開發(fā)設計出續(xù)航時間長、質(zhì)量功率比高、安全性能符合要求的專用動力輸出能源；另一方面還應盡量減少機械部分的能源消耗，通過智能化管理實現(xiàn)能源的高效循環(huán)和利用。

3.5 新型材料技術(shù)

當今外骨骼樣機通常采用金屬材料作為機械結(jié)構(gòu)，但是其自重過大，導致有效載荷低下、等效慣量大等問題。因此應研發(fā)新型輕量化材料替代，現(xiàn)在已有機構(gòu)研究采用鈦合金材料、新型高分子材料、高強度碳纖維材料、氣動人工肌肉、高分子聚合物人工肌肉、鐵電體聚合物、離子型人工肌肉、電子型人工肌肉、有機燃料的人工肌肉和液態(tài)金屬等新型材料[6]，如圖7所示。但這些新型材料仍處于試驗室研究階段，距離工程應用還有一定差距。

圖7 新型材料舉例

3.6 安全性和個體差異適應性技術(shù)

外骨骼機器人在工作時與穿戴者直接捆綁接觸，背負較大質(zhì)量，對人力肌肉產(chǎn)生較大的作用力。如果外骨骼機器人發(fā)生故障或預期運動判斷錯誤，將嚴重威脅到穿戴者的安全，導致人體肌肉拉傷、骨骼折斷、 關(guān)節(jié)受損和人員受傷等危險。尤其是發(fā)生誤操作、跌倒等意外故障時，采用金屬材料的外骨骼更會對穿戴者帶來很大危險。但如何保證外骨骼機器人的安全性使用問題上，國內(nèi)外并無統(tǒng)一的認識和措施。

另外，由于人體結(jié)構(gòu)不是完全相同的，身高、體重、體寬、骨骼長度和關(guān)節(jié)位置等人體差異性，導致外骨骼機器人難以普遍適應所有人群，難以實現(xiàn)工程化量產(chǎn)和普遍應用?，F(xiàn)在大部分商業(yè)用外骨骼機器人還是醫(yī)療康復領域[7]、針對患者特殊訂制的產(chǎn)品，影響了外骨骼機器人的實用化和產(chǎn)業(yè)化。

4 結(jié)束語

可穿戴外骨骼機器人是集成了機械學、材料學、生物醫(yī)學、力學和電子科學等多方面知識的高新技術(shù)，在軍事和民用等領域具有廣闊的前景，并取得了長足的發(fā)展。但必須承認的是，當前國內(nèi)外大部分助力型外骨骼機器人仍處于樣機試驗測試和完善階段，還存在種種缺陷，距離實戰(zhàn)化和市場化還有一段很長的路要走。正因如此，該領域機遇與挑戰(zhàn)并存，醞釀著巨大的突破空間和應用空間，期待核心難題的曙光突破，亟待全面深入開拓。

[1] 歐陽小平，范伯騫，丁碩.助力型下肢外骨骼機器人現(xiàn)狀及展望[J].科技導報，2015，33(23)：92-99.

[2] 葛水平，楊陳君，陳耀凱.單兵外骨骼裝備技術(shù)簡介[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016(14)：6-7.

[3] 陳浩.外骨骼機器人設計[D].上海:上海交通大學，2013.

[4] 鄧明君.一種液壓驅(qū)動上肢外骨骼機器人設計[D].長沙：國防科技大學，2013.

[5] 西北機電工程研究所.外骨骼可穿戴機器人產(chǎn)品介紹[J].機器人技術(shù)與應用，2016(2)：47-48.

[6] 國瑞，盛磊，劉靜.可穿戴機器人研究進展：材料學角度[J].科技導報，2015，33(23)：81-91.

[7] 李慶玲，孫立寧，杜志江.上肢康復機器人發(fā)展現(xiàn)狀的分析與研究[J].機械設計，2008，25(9)：1-3.