張建中 胡化增 張廣浩 李峰

摘 要：外骨骼機(jī)器人是可以穿戴在人身體外部的人機(jī)一體化機(jī)械結(jié)構(gòu)，它與穿戴者一起行走，為其提供助力和保護(hù)。詳述了下肢外骨骼機(jī)器人在各領(lǐng)域的應(yīng)用，并分別列舉各領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，分析了下肢外骨骼機(jī)器人在設(shè)計過程中要解決的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了外骨骼機(jī)器人幾種不同的驅(qū)動方式，并進(jìn)行對比分析其優(yōu)缺點(diǎn)，對下肢外骨骼機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。

關(guān)鍵詞：下肢外骨骼；機(jī)器人；可穿戴

中圖分類號：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0072-02

Abstract： Exoskeleton robot is a human-machine integrated mechanical structure which can be worn on the outside of the human body. It walks with the wearer to provide assistance and protection. The applications of the lower limb exoskeleton robot in various fields are described in detail， and the key technologies in the design of the lower limb exoskeleton robot are analyzed. This paper introduces several different driving modes of exoskeleton robot， analyzes their advantages and disadvantages， and forecasts the development trend of lower limb exoskeleton robot technology.

Keywords： lower limb exoskeleton； robot； wearable

引言

在自然界中，外骨骼是一種能夠保護(hù)和支撐生物柔軟內(nèi)部器官的外部結(jié)構(gòu)，比如螃蟹、蝸牛、昆蟲等生物的甲殼。由此，科學(xué)們提出了外骨骼機(jī)器人的概念-用于保護(hù)穿戴者并為其提供額外的動力。比如家庭用輔助型外骨骼機(jī)器人可協(xié)助年老體弱者正常行走；醫(yī)用康復(fù)外骨骼機(jī)器人可使殘疾人像正常人那樣重新站立起來；軍用負(fù)重式外骨骼可使士兵在攜帶負(fù)載的情況下依舊健步如飛。由此可見，外骨骼機(jī)器人既有研究價值，也有很高的實(shí)用價值，已成為國內(nèi)外科學(xué)家們研究的一個重點(diǎn)方向，其發(fā)展前景十分廣闊[1]。

1 下肢外骨骼機(jī)器人研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，比如在仿生學(xué)技術(shù)、智能控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和材料技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的突破，外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研究也取得了很大的進(jìn)步[2]。下面簡要介紹下肢外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀。

外骨骼機(jī)器人主要分為三大類。第一類是助力型外骨骼機(jī)器人，主要面向健康人群，提高人的負(fù)載能力，用于軍事領(lǐng)域，可增強(qiáng)士兵負(fù)重能力。這方面比較成功的是洛克希德·馬丁公司研制出的HULC型外骨骼機(jī)器人[3]（如圖1

所示）。它總質(zhì)量約為32kg，主要通過電池提供能量，蓄電池在充滿電之后可使士兵在負(fù)載90kg并以16km/h的速度行駛的情況下行走一個半小時。其特點(diǎn)是模仿人體結(jié)構(gòu)設(shè)計而成，機(jī)械腿由鈦合金制成，腿部的設(shè)計貼合人體運(yùn)動，從而保證了穿戴者在運(yùn)動時的安全性和靈活性。

第二類是步態(tài)訓(xùn)練康復(fù)型外骨骼機(jī)器人。主要面向下肢運(yùn)動能力受損患者的康復(fù)治療中，使患者通過訓(xùn)練以達(dá)到逐漸恢復(fù)下肢運(yùn)動的能力，實(shí)現(xiàn)自主行走。如圖2所示，美國特拉華大學(xué)開發(fā)的一款名為ALEX的步態(tài)康復(fù)機(jī)器人。臨床試驗(yàn)表明，患者通過ALEX的步態(tài)訓(xùn)練，行走步態(tài)與正常人相似，在步長以及行走速度上都與正常人非常接近，證明了其有效性[4]。

第三類是下肢運(yùn)動輔助型外骨骼機(jī)器人。這類機(jī)器人主要面向喪失下肢運(yùn)動能力的殘疾人，以幫助他們能夠像正常人那樣站立以及行走。比較典型的是以色列開發(fā)的名為Re Walk外骨骼機(jī)器人（如圖3所示）用于幫助下肢癱瘓的殘疾人站立、行走和上下樓梯等動作，它采用機(jī)器主動控制，系統(tǒng)的動作不隨人的意愿而改變，穿戴者跟隨機(jī)械運(yùn)動，通過一副拐杖來維持自身的平衡。實(shí)驗(yàn)研究表明，患者通過該產(chǎn)品經(jīng)過訓(xùn)練可以實(shí)現(xiàn)站立、行走動作，其生活質(zhì)量得到了很大的改善。

2 下肢外骨骼機(jī)器人研究關(guān)鍵技術(shù)

下肢外骨骼機(jī)器人技術(shù)涉及到機(jī)電工程、材料學(xué)、人機(jī)智能、自動控制、機(jī)器人學(xué)、信息處理、驅(qū)動技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域，是一種典型的人機(jī)一體化系統(tǒng)。主要有以下一些關(guān)鍵技術(shù)：

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。具體體現(xiàn)在外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)和自由度的設(shè)計應(yīng)與人體骨骼結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動自由度相匹配，以保證穿戴者的安全性及操作靈活性，同時外骨骼機(jī)器人還應(yīng)具有一定的可調(diào)性，可根據(jù)穿戴者體形的不同進(jìn)行調(diào)整，使人穿戴舒適。

（2）控制的智能性。下肢外骨骼機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)人-機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制必須具有高度智能性。外骨骼機(jī)器人跟隨人的肢體運(yùn)動，要能夠快速準(zhǔn)確感知肢體的運(yùn)動趨勢，并能預(yù)判穿戴者的運(yùn)動意圖，做出合理的運(yùn)動規(guī)劃，保證系統(tǒng)平穩(wěn)可靠。

（3）驅(qū)動的安全高效性。下肢外骨骼機(jī)器人不僅要承受穿戴者以及自身的重量，還要與穿戴者動作保持一致，驅(qū)動設(shè)計應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)緊湊、動力充足、體積小、效率高、質(zhì)量輕、響應(yīng)快和高安全性等要求。

（4）材料的選擇。外骨骼機(jī)器人在設(shè)計選材時，在滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的前提下，選擇質(zhì)量輕便的材料，以便使人輕簡便攜。

3 下肢外骨骼機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)類型

國內(nèi)外專家學(xué)者已對外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了大量研究，并設(shè)計出多種外骨骼機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)，應(yīng)用在的下肢外骨骼機(jī)器人驅(qū)動方式常見的有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動等[5]。

3.1 下肢外骨骼機(jī)器人液壓驅(qū)動

常用的液壓驅(qū)動方式是將外骨骼機(jī)器人的髖部、大腿和小腿分別與液壓缸相連，通過液壓缸的伸縮控制大小腿的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)行走功能。典型的結(jié)構(gòu)有美國加州大學(xué)研發(fā)的BLEEX外骨骼機(jī)器人、洛克希德·馬丁公司的HULC外骨骼機(jī)器人均采用液壓驅(qū)動。

3.2 下肢外骨骼機(jī)器人氣壓驅(qū)動

氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動原理類似，外骨骼機(jī)器人的髖部、大腿、小腿分別與氣缸相連，通過氣缸的伸縮控制外骨骼機(jī)器人大小腿的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)行走功能。國內(nèi)浙江大學(xué)研發(fā)的下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼機(jī)器人采用氣壓驅(qū)動方式[6]。

3.3 下肢外骨骼機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動

目前，下肢外骨骼機(jī)器人使用電機(jī)驅(qū)動的方式主要有兩種[7]。一種是將電動機(jī)直接安裝在機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上，利用電動機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。另一種是利用電動推桿驅(qū)動，電動推桿主要由電機(jī)和滾珠絲杠組成，將電動推桿兩端與外骨骼相連，電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠上的螺母旋轉(zhuǎn)，螺母與絲杠螺旋配合，螺母轉(zhuǎn)動促使絲杠做直線運(yùn)動，從而使機(jī)器人大小腿實(shí)現(xiàn)模仿人體運(yùn)動。如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的可穿戴型助力機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動[8]。

4 外骨骼機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)對比分析

液壓驅(qū)動傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小，易控制。但是液壓傳動對液壓油溫度的變化較敏感，并且會發(fā)生一定程度的漏油，易污染環(huán)境，傳動過程中不能嚴(yán)格保證傳動比，使用效率低。液壓驅(qū)動大多用于抗震救災(zāi)和士兵作戰(zhàn)等用途的外骨骼機(jī)器人，其承受負(fù)載較大。

氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動原理類似，其優(yōu)點(diǎn)是使用安全、介質(zhì)不產(chǎn)生污染、工作壓力低； 缺點(diǎn)是由于空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致運(yùn)動速度易發(fā)生變化，不利于精確控制其速度及位置，一般多用于小功率傳動。

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快，效率高、使用維護(hù)方便。但若外骨骼機(jī)器人要求較大的動力驅(qū)動，則相應(yīng)電動機(jī)尺寸也會偏大，不利于外骨骼機(jī)器人整體的輕量化，而且也會影響機(jī)構(gòu)的平衡性。電機(jī)驅(qū)動大多用于負(fù)載作用小，起康復(fù)作用的外骨骼機(jī)器人上。

5 結(jié)束語

隨著機(jī)器人技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新與研究，外骨骼機(jī)器人將為人們提供更好的服務(wù)，高度智能化、微型化、安全可靠以及柔性化將是外骨骼機(jī)器人未來的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

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