外骨骼機(jī)器人類型與關(guān)鍵技術(shù)分析

岳海波 王偉

摘 要：隨著科技水平的不斷進(jìn)步，各技術(shù)行業(yè)都得到了迅速發(fā)展。在此背景下，人們希望設(shè)計(jì)出一種輔助人體動作，以達(dá)到提升人體運(yùn)動能力或幫助人體肢體進(jìn)行康復(fù)的機(jī)械裝置，因此，外骨骼機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴的智能化機(jī)械裝置，應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)、仿生學(xué)等相關(guān)知識將人與機(jī)器人結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的優(yōu)勢互補(bǔ)，擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?。本文首先介紹了外骨骼機(jī)器人的類型，然后從外骨骼機(jī)器人構(gòu)型、驅(qū)動技術(shù)、控制技術(shù)等方面入手，介紹了外骨骼機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)，最后在此基礎(chǔ)之上，展望未來外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：外骨骼機(jī)器人;構(gòu)型;驅(qū)動技術(shù);控制技術(shù)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）02-0023-05

Exoskeleton Robots Types and Key Technologies Analysis

Abstract： With the continuous progress of science and technology， various technology industries have developed rapidly. In this context， people hope to design a mechanical device to assist human motion in order to improve human motion ability or help human limbs to recover. Therefore， exoskeleton robots emerge as the times require. Exoskeleton robot is a kind of wearable intelligent mechanical device. It combines human and robot by using ergonomics， bionics and other related knowledge to realize complementary advantages between human and robot， and has great development potential. Firstly， the types of exoskeleton robots were introduced. Then， the key technologies of exoskeleton robots were introduced from the aspects of configuration， driving technology and control technology of exoskeleton robots. Finally， based on this， the development trend of exoskeleton robots in the future was prospected.

Keywords： exoskeleton robot;configuration;drive technology;control technology

外骨骼（Exoskeleton）這一名詞來源于生物學(xué)昆蟲和殼類動物的堅(jiān)硬外殼，其作用在于支撐、運(yùn)動、防護(hù)三項(xiàng)功能緊密結(jié)合。外骨骼機(jī)器人是模仿生物界外骨骼而提出的一種新型機(jī)電一體化裝置，通過多種關(guān)鍵技術(shù)之間的相互配合，在保證使用者安全的前提下，極大提高了人體運(yùn)動、負(fù)重等能力。

本文首先介紹外骨骼機(jī)器人的類型，然后分析外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，最后展望外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趨勢。

1 外骨骼機(jī)器人類型

從結(jié)構(gòu)上來說，外骨骼機(jī)器人可分為上肢外骨骼機(jī)器人、下肢外骨骼機(jī)器人及全身外骨骼機(jī)器人三個主要類型。

1.1 上肢外骨骼機(jī)器人

上肢外骨骼機(jī)器人通常具有多個自由度，用于輔助使用者相應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動，可用于助力或進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動。例如，美國Myomo醫(yī)療機(jī)器人公司開發(fā)的MyoPro Motion-G外骨骼機(jī)器人[1]，如圖1所示。其適用于因中風(fēng)等神經(jīng)系統(tǒng)損傷而導(dǎo)致手臂力量變?nèi)趸蜃冃蔚幕颊?。MyoPro Motion-G配備了多個傳感器和電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)肘彎曲和伸展及手指抓握等動作，這樣用戶可以做飯、吃飯，還可以做一些家務(wù)。MyoPro Motion-G使用表面肌電信號數(shù)字傳感器檢測身體的肌電信號，進(jìn)而判斷使用者的運(yùn)動意圖。

1.2 下肢外骨骼機(jī)器人

下肢外骨骼機(jī)器人用以輔助使用者的下肢運(yùn)動。由于人體下肢運(yùn)動具有復(fù)雜性，下肢外骨骼機(jī)器人用于康復(fù)和助行時，通常需要與手杖配合使用。例如，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研制的下肢助行外骨骼機(jī)器人，適用于老年人和有運(yùn)動功能障礙的患者，如圖2所示。其由背包裝置、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和與人體的連接裝置構(gòu)成。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)由直流伺服電機(jī)驅(qū)動;踝關(guān)節(jié)為被動關(guān)節(jié);與人體的連接裝置設(shè)置在外骨骼機(jī)器人的小腿和大腿部。使用該裝置時，配有一副智能拐杖，應(yīng)用智能拐杖上的操作裝置控制外骨骼機(jī)器人運(yùn)動[2]。

1.3 全身外骨骼機(jī)器人

全身外骨骼機(jī)器人可輔助人體上肢和下肢相應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動，具有較多的自由度。例如，日本筑波大學(xué)研發(fā)的下肢外骨骼機(jī)器人HAL[3]。經(jīng)過多年的發(fā)展，HAL已經(jīng)形成系列產(chǎn)品，其第五代產(chǎn)品為HAL-5，如圖3所示。HAL-5的總重量約為15kg，其整個系統(tǒng)的承重能力可以達(dá)到70kg。HAL-5采用了更小的馬達(dá)，使各關(guān)節(jié)尺寸變小，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動更加靈活，實(shí)際應(yīng)用性更強(qiáng)。

2 外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

外骨骼機(jī)器人的發(fā)展和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展密不可分。外骨骼機(jī)器人構(gòu)型、驅(qū)動技術(shù)以及基于人機(jī)交互方式的控制技術(shù)等的不斷改進(jìn)，推動了外骨骼機(jī)器人的變革。

2.1 外骨骼機(jī)器人構(gòu)型

構(gòu)型設(shè)計(jì)是外骨骼機(jī)器人整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，構(gòu)型方案的好壞直接影響外骨骼機(jī)器人整體功能的實(shí)現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展，單純完成指定任務(wù)已無法滿足人們對構(gòu)型設(shè)計(jì)的要求，舒適與安全成為構(gòu)型設(shè)計(jì)新的發(fā)展趨勢[4]。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須符合輕巧且堅(jiān)硬、舒適且穩(wěn)定、方便且安全的特點(diǎn)。外骨骼助力機(jī)器人既要重量小，減少人體穿戴后所需承受的負(fù)擔(dān)，又必須滿足對人體的支撐要求。

為滿足舒適的要求，應(yīng)當(dāng)充分研究人體仿生學(xué)，按照擬人化原則，綜合考慮自由度的選擇、結(jié)構(gòu)尺寸大小、關(guān)節(jié)的構(gòu)造和運(yùn)動、人機(jī)緩沖接觸裝置設(shè)計(jì)等。為防止外骨骼助力機(jī)器人因突發(fā)情況對操作者造成傷害，機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有應(yīng)急保護(hù)機(jī)制。

2.2 外骨骼機(jī)器人驅(qū)動技術(shù)

外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有輕巧、尺寸小、能量密度高等特點(diǎn)，并且能提供符合要求的輸出力或力矩。目前，國內(nèi)外應(yīng)用在外骨骼機(jī)器人上的驅(qū)動方式主要有：液壓驅(qū)動、電動機(jī)驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及人工肌肉驅(qū)動等。

液壓驅(qū)動相比于其他幾種驅(qū)動方式，傳動過程更加平穩(wěn)，當(dāng)輸出功率相同時，質(zhì)量輕且結(jié)構(gòu)緊湊，便于實(shí)現(xiàn)小型化?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，液壓驅(qū)動方式被應(yīng)用在很多成熟的外骨骼機(jī)器人上，如美國加州大學(xué)伯克利分校研制的外骨骼機(jī)器人BLEEX[5]，美國雷神公司的XOS系列外骨骼機(jī)器人等[6]。但是，液壓驅(qū)動方式也存在一些不足，如工作噪聲較大、能源使用效率低、容易發(fā)生泄漏等。由此，設(shè)計(jì)時應(yīng)最大程度上利用其優(yōu)點(diǎn)，盡可能減少不足對整體設(shè)計(jì)的影響。

氣壓驅(qū)動方式與液壓驅(qū)動相似，工作介質(zhì)為空氣，具有無污染、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于氣體具有壓縮性，所以，氣壓驅(qū)動精確性差，容易產(chǎn)生噪聲。因此，采用氣壓驅(qū)動方式的外骨骼機(jī)器人較少。例如，日本神奈川理工大學(xué)研制的PAS[7]和北京航空航天大學(xué)研制的外骨骼機(jī)器人[8]均采用了氣壓驅(qū)動的方式。

電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)相比于其他幾種驅(qū)動技術(shù)，具有控制精度高、工作噪聲小、結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝且信號傳遞迅速等優(yōu)點(diǎn)。但是，當(dāng)要求的驅(qū)動力加大時，選擇的電動機(jī)尺寸也會增加，從而影響外骨骼機(jī)器人的整體布局。目前，采用電動機(jī)驅(qū)動方式的外骨骼機(jī)器人有很多，如日本筑波大學(xué)的HAL系列外骨骼[3]，中國合肥智能機(jī)械研究所研制的WPAL外骨骼[9]等。

人工肌肉驅(qū)動是最近興起的一種驅(qū)動方式，相比于其他幾種驅(qū)動方式，目前技術(shù)還不太成熟，存在精度控制困難、驅(qū)動行程小、抗壓性差等缺點(diǎn)。但是，人工肌肉驅(qū)動技術(shù)也有其獨(dú)特優(yōu)勢，如驅(qū)動過程更加柔順，能量轉(zhuǎn)化效率高，不會對操作者造成傷害，同質(zhì)量下輸出力較大等。目前，采用人工肌肉驅(qū)動的外骨骼機(jī)器人逐漸增多，發(fā)展前景十分廣闊。例如，英國索爾福德大學(xué)基于氣動肌肉研制的上肢外骨骼系統(tǒng)和下肢外骨骼系統(tǒng)[10]，哈爾濱工程大學(xué)研制的氣動肌肉驅(qū)動步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練外骨骼系統(tǒng)等[11]。

2.3 外骨骼機(jī)器人控制策略

外骨骼機(jī)器人為滿足不同的控制目標(biāo)，需要用到不同的控制策略。選擇合適的控制策略對助力外骨骼機(jī)器人完成指定任務(wù)起到至關(guān)重要的作用?；谌藱C(jī)交互方式的不同，外骨骼機(jī)器人的控制策略主要分為以下幾種。

2.3.1 預(yù)編程控制策略。預(yù)編程控制策略指外骨骼機(jī)器人按照預(yù)先編好的運(yùn)行程序運(yùn)行，從而帶動操作者肢體動作。此種控制策略無需感知人體運(yùn)動信息，簡單，易實(shí)現(xiàn)，但操作者只能進(jìn)行有限干預(yù)。因此，多被應(yīng)用于康復(fù)外骨骼機(jī)器人，如Lokomat[12]外骨骼系統(tǒng)、ReWalk[13]助行外骨骼等。

2.3.2 基于力信息的控制策略。基于力信息的控制策略是通過應(yīng)用各種類型的力/力矩傳感器，感知人體的意向運(yùn)動信息，然后應(yīng)用一定的控制算法，獲得控制量，從而控制外骨骼機(jī)器人跟隨操作者進(jìn)行動作。

根據(jù)獲取力信息的不同，基于力信息的控制策略又可分為直接力反饋控制、地面反作用力控制以及靈敏度放大控制等。直接力反饋控制中采集的力信號為操作者與外骨骼所有接觸點(diǎn)的力信息;地面反作用力控制采集的力信號為地面反作用力這一廣義力，包含地面施加于人體上的力和力矩;而靈敏度放大控制是通過定義靈敏度函數(shù)，基于數(shù)學(xué)模型的建立使靈敏度函數(shù)最大化，從而使用很小的力便可控制外骨骼機(jī)器人動作。盡管沒有使用力/力矩傳感器，但該控制策略實(shí)質(zhì)上仍是采用人與外骨骼機(jī)器人的相互作用力來獲取人體的意向運(yùn)動信息。

目前，采用力信息控制策略的外骨骼機(jī)器人有很多，如哈工大[14]研制的下肢外骨骼助力機(jī)器人，中科院常州先進(jìn)制造研究所研制EXOP-1[15]，兩者均在機(jī)器人的腳部安裝了力傳感器，用以感知人機(jī)交互力。

2.3.3 基于肌電信號的控制策略。肌電控制的一般過程為：首先采集人體表面的肌電信號并進(jìn)行預(yù)處理，除去干擾信號的影響;然后進(jìn)行特征提取，利用不同算法建立特征參數(shù)與肢體動作的對應(yīng)關(guān)系，從而辨識出人體的運(yùn)動意圖;最后通過控制器控制外骨骼機(jī)器人動作。

目前，應(yīng)用肌電控制方法最成功的是日本HAL系列外骨骼助力機(jī)器人。HAL利用肌電信號辨識人的運(yùn)動意圖并進(jìn)行預(yù)測。結(jié)合阻抗控制方法，操作者在使用HAL時感覺十分舒適。肌電控制方法同時也存在諸多不足之處，如肌電信號傳感器使用不方便，人體汗液會影響測量結(jié)果，并且基于肌電信號的控制器均為個性化設(shè)備，廣泛使用較為困難[16]。

2.3.4 基于腦電信號的控制策略?；谀X電信號的控制，也稱為基于意識的控制，其控制過程與肌電控制相似。隨著腦電信息感知設(shè)備的逐步發(fā)展，基于腦電信息的外骨骼機(jī)器人控制策略逐漸受到研究人員的重視。作為控制源的腦電信號可以分為誘發(fā)腦電和自發(fā)腦電兩大類，應(yīng)用腦電信號，可獲取人體的運(yùn)動意向，進(jìn)而控制外骨骼機(jī)器人運(yùn)動。

例如，唐智川等人[17]提出一種基于單次運(yùn)動想象的腦電信號分類方法，并將其應(yīng)用于自主研發(fā)上肢外骨骼的實(shí)時控制。由于基于腦電信號獲取人體運(yùn)動意向較為困難，因此，該種控制策略還處于實(shí)驗(yàn)階段，研究成果相對較少。

3 外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趨勢

外骨骼機(jī)器人發(fā)展至今，已經(jīng)取得了眾多研究成果，由于其具有可穿戴這一獨(dú)特優(yōu)勢，在醫(yī)療、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但依然存在許多不足，如體積較大、重量重、運(yùn)行噪音大、運(yùn)動靈活性不高、與操作者運(yùn)動協(xié)調(diào)性不足、能源體積太大且不耐用等。因此，外骨骼機(jī)器人的發(fā)展依賴于以下幾方面的進(jìn)步與革新。

3.1 材料與能源方面

由于傳統(tǒng)的鋼、鋁材料的密度大，使得外骨骼的自身重量很大，所以，需要研究新型廉價的復(fù)合材料，以降低自重，提高效率。此外，現(xiàn)有外骨骼多采用外置電源、液壓源、自攜帶鋰電池來供能，限制了其續(xù)航能力，使其只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或是短距離的環(huán)境。因此，新能源的開發(fā)與利用至關(guān)重要。

3.2 人機(jī)耦合方面

由于外骨骼機(jī)器人是機(jī)器人與操作者相耦合的機(jī)電一體化系統(tǒng)，因此，人機(jī)交互。剛?cè)嵯到y(tǒng)動力學(xué)建模等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展勢在必行。同時，由于人體的差異性較大，這就要求外骨骼助力機(jī)器人有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，以滿足不同操作者的使用要求。

3.3 安全與舒適方面

外骨骼機(jī)器人的工作方式與一般工業(yè)機(jī)器人不同，需要穿戴在操作者身上，與操作者共同完成目標(biāo)任務(wù)，并且要求使用者在舒適的情況下進(jìn)行操作。同時，外骨骼機(jī)器人在工作過程中有可能發(fā)生跌倒、碰撞或失控等意外情況，因此，外骨骼機(jī)器人必須建立科學(xué)全面的安全評價方法，以保證其安全性。

3.4 控制方面

為了獲得更好的人機(jī)交互效果，通常需要基于多種信息，應(yīng)用多種控制策略，因此，基于多元信息的混合控制策略將是未來外骨骼機(jī)器人的控制發(fā)展方向。

4 結(jié)論

本文首先介紹了外骨骼機(jī)器人的分類，然后對外骨骼機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)如外骨骼機(jī)器人構(gòu)型、驅(qū)動技術(shù)、基于人機(jī)交互方式的控制策略等進(jìn)行介紹，指出外骨骼機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)存在的不足及未來發(fā)展趨勢。隨著科技的不斷進(jìn)步，外骨骼機(jī)器人將會變得越來越人性化與智能化，終有一天，科幻中的外骨骼機(jī)器人將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

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