簡述外骨骼機(jī)器人國內(nèi)外現(xiàn)狀

孫偉

(山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 山東 青島 266590)

簡述外骨骼機(jī)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(jī)電學(xué)院山東青島266590)

外骨骼機(jī)器人是目前機(jī)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(jī)器人，外骨骼是指通過穿戴到使用者身上，輔助使用者進(jìn)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(yùn)，像正常人一樣行走。

外骨骼；助力機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)價值。雖然傳統(tǒng)輪式交通工具是遠(yuǎn)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(jìn)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(yùn)送傷員、野外作業(yè)、登山探險等，這些特殊形式的運(yùn)動無法借助傳統(tǒng)的交通工具完成且對運(yùn)動者的身體素質(zhì)要求很高?；谲娛隆⒖瓶?、消防等領(lǐng)域的需求，助力機(jī)器人融入了機(jī)器人學(xué)、人機(jī)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(jìn)疲勞，但其體積巨大且笨重，未達(dá)到預(yù)期效果。

美國加州大學(xué)研發(fā)BLEEX外骨骼機(jī)器人，該系統(tǒng)由兩條液壓驅(qū)動的仿生機(jī)械腿、一個動力提供單元、一臺微型計算機(jī)和一個背包架并附加多個傳感器，其中機(jī)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(jī)器人與穿戴者能夠精確地連接在一起，BLEEX外骨骼機(jī)器人的每條機(jī)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(jī)械肩、機(jī)械臂、軀干、腰部和機(jī)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(dá)到了讓醫(yī)護(hù)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(jī)器人，HAL機(jī)械腿的運(yùn)動是由使用者通過自動控制器進(jìn)行控制，是一個可穿戴的混合控制系統(tǒng)。國外某機(jī)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(jī)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(jī)械外骨骼，并命名為機(jī)器護(hù)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(jī)械外骨骼裝備是一款管型材料護(hù)甲，總質(zhì)量僅有7.5kg，比一般的外骨骼機(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)動進(jìn)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(jī)驅(qū)動。為感知助力腿的運(yùn)動狀態(tài)，并通過電機(jī)編碼器獲得髖、膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動信息。在控制上采用了基于多維力信息預(yù)測人體運(yùn)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(jī)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(jī)器人技術(shù)、仿生技術(shù)、人機(jī)互融技術(shù)、機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人技術(shù)。