外骨骼机器人研究发展综.docx

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1、外骨骼机器人研究发展综述李罗川摘要外骨骼机器人又称可穿戴机器人，是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的机器人。外骨骼机器人融合了传感、控制、驱动、信息融合、移动计算等综合技术为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构。本文介绍了外骨骼机器人的发展历史以及国内外研究现状，对外骨骼机器人的关键技术：机械结构设计，驱动单元，控制策略进行了研究，分析了其技术难点最后对其发展前景进行了说明。关键词：外骨骼机器人 关键技术目录目录引言.41.发展历史及现状.51.1 国外发展历史现状.51.2 国内发展历史现状.82.关键技术分析.102.1 外骨骼机器人的结构设计.102.2 外骨骼机器人驱动单元

2、.112.3 外骨骼机器人的控制策略.113.外骨骼机器人技术难点分析.144.前景展望.164.1 外骨骼机器人的研究方向.164.2外骨骼机器人技术的应用.16引言引言现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运沉重的负载等。虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力。与此同时，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完成的任务不受人的智能的约束，而仅受人的体能的限制。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是外骨骼机器人的设

3、计思想。外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、控制、驱动、信息融合等机器人技术，使得外骨骼能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。本文通过介绍外骨骼机器人的发展历史及研究现状进一步分析了外骨骼机器人的关键技术，并对其技术难点以及发展前景作了说明，以期在全面认识外骨骼机器人基础上对其开展进一步深入研究。1.发展历史及现状发展历史及现状1.1 国外发展历史现状国外发展历史现状外骨骼系统的最早研究始于 20 世纪 60 年代。1962 年，美国空军就要求康奈尔航空实验室进行一项采用主从控制方式的人力放大器系统的可行性

4、研究。从 1960 年到 1971 年，美国通用电器公司开始研发一种基于主从控制 的外骨骼原型机，名字叫做“Hardiman”，如图 1 所示。Hardiman 采用电机驱动方式，可以像举起 10 磅那样来举起 250 磅的重物。但是，由于技术的限制，导致 Hardiman 的体积和重量过大，无法进行实际应用，慢慢停止了发展。同时期进行外骨骼研究的还有贝尔格莱德大学的 Vukobratovic等人，他们的研究主要用于辅助下肢瘫痪患者进行运动康复。尽管只实现了部分运动形式，但是研究过程中得到的平衡算法在双足步行机器人中得到了广泛应用。随后尽管人体外骨骼机器人经历过一段时间的沉寂，但到 20 世纪

5、末，由于传感技术、材料技术和控制技术等技术的发展和各种军事、民用需求的凸显使得人体外骨骼机器人再次进入了蓬勃发展阶段，美国、日本和俄罗斯等国均针对人体外骨骼机器人开展了大量的研究工作。2000 年，美国国防高级研究计划局(DARPA)在出资五千万美元用于资助对能够增强人体机能的外骨骼(EHPA)的研究与开发，研制一种穿戴式的，具有自适应能力的外骨骼系统，使士兵在穿着外骨骼后，行军能力大大提高。DARPA的该项目资助了多家研究机构，主要有加利福尼亚大学伯克利分校机器人和人体工程实验室、Oak Ridge 国家实验室、盐湖城人体机能研究所、“千年喷气机”公司、SARCOS 公司等。其中伯克利分校、

6、SARCOS 公司和麻省理工学院展示了实验样机，其他单位则在传感驱动人机界面生物力学人因测试等方面进行了分析与实验。2 0 0 4 年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼机器人 BLEEX 是 DARPA 项目的第一台带移动电源和能够负重的下肢外骨骼机器人。如图 2 所示BLEEX 由一个用于负重的背包式外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源，以全面增强人体机能。BLEEX 的每条腿具有 7 个自由度(髋关节 3个，膝关节 1 个，踝关节 3 个)，在该装置中总共有 40 多个传感器以及液压驱动器，它们组成了一个类似人类神经

7、系统的局域网。BLEEX的负重量能达到75kg，并以 0.9m/s 的速度行走，在没有负重 的情况下，能以 1.3m/s 的速度行走。然而BLEEX由于结构复杂能量消耗大操作者长时间使用很不舒服因此未获得第二阶段的资助。BLEEX 虽然未获得进一步的资助但是 Kazerooni 教授和他的学生成立了伯克利仿生公司争取吸引风险投资并对骨骼服技术进行市场化运作设计开发了更加轻便简洁实用的 HULC（human universal load carrier）如图所示：图 2 伯克利的 BLEEXHULC 被著名的武器承包商洛克希德马丁公司收购。HULC 质量为 24kg（不含电池）两块电池质量为 3

8、.6kg。士兵穿戴上 HULC 之后能够额外负重 91kg，是 BLEEX 系统负重能力的 3 倍。电池可供以km/h 的速度连续行走 3h。速度峰值可达到 16km/h。可以说 HULC 是最接近实战应用的一款骨骼服。目前正在进行进一步的集成开发同时进行部队的演示验证实验。雷神公司在收购了参与 EHPA 项目的 SARCOS 公司后，也推出了其研制的第一代全身型人体外骨骼机器人 XOS。XOS 能够在背负 68 kg 且手持 23kg 的负荷时以 1.6 m/s 的速度行进，并可实现弯腰下蹲和跪地等动作。2010 年第二代XOS 机器人问世，如图 4 所示。第二代 XOS 人体外骨骼机器人的

9、能耗较第一代降低了一半，而且较第一代具有更强的负重能力，系统的灵敏度和响应速度进一步提升。但其缺陷在于能量消耗依旧较大，至今仍依赖地面供电。总之美国的骨骼服以军事应用为背景资助力度大资助范围广对骨骼服各个图 3 洛克希德马丁公司的 HULC图 4 雷神公司的 XOS-2方面的研究最为深入呈现百花齐放的状态，研究水平居世界前列。日本是当仁不让的机器人技术强国，但是骨骼服的军事意义相当明显，因此日本主要从骨骼服的民事应用入手在助残护理劳动等应用领域对骨骼服展开了广泛的研究，成绩显著。日本筑波大学于 2004 年推出了世界上第一款商业人体外骨骼机器人(HAL)，当前已发展到第五代助力机器人 HAL-

10、5，如图 5 所示。HAL-5 是一种全身型助力机器人，其特点在于通过遍布全身的肌电传感器实现对人体运动信息的采集，并通过电机实现对各关节的助力。HAL-5 重约 15kg，其能源供给装置小巧，使用时间长，但是由于使用了肌电传感器导致其穿戴复杂，且易受干扰，目前仅用于民用领域。除此之外，日本神奈川理工学院研制的采用气压驱动的动力辅助服和本田公司采用非拟人设计的助力机械腿也已经进入样机制造阶段。国外其他国家的人体外骨骼机器人研究：俄罗斯目前研制出了一款战士-21的单兵作战服，其能够让士兵携带重物飞奔，且能够在电力耗尽时迅速脱下；法国防务公司与法国武器装备总署联合研制了名为“大力神”的协同可穿戴式

11、外骨骼机构，旨在使穿戴者能够轻松携带 100 kg 重物，其电池可使穿戴者以 4 km/h的速度行进大约 20 km。同时，韩国、意大利及新加坡等国家也有相关方面的研究，但由于均没有进行公开演示，故相关资料较少。1.2 国内发展历史现状国内发展历史现状目前国内开展人体外骨骼机器人研究的主要有浙江大学、中国科技大学、华图 5 筑波大学的 HAL-5东理工大学及中国北方车辆研究所等大学和研究所。浙江大学主要进行人机耦合的层次式控制框架的研究，并设计完成了一种基于气动的外骨骼机器人样机。中国科技大学在人体外骨骼机器人的姿态感知及控制方法方面展开了大量研究，在相关姿态传感器方面获得了不少成果。华东理工

12、大学也在做相关方面的研究，已完成了一套液压驱动的实物样机。中国北方车辆研究所在人体外骨骼机器人的计算机虚拟建模及仿真方面做了深入研究，并在行走助力机器人用小型液压缸设计等方面有所突破。此外还有很多机构也展开了相关研究，如：海军航空工程学院对基于电机驱动的人体外骨骼机器人进行了研究；北京工业大学在助力机器人机构设计方面进行了一定研究。总体来看，由于国内在人体外骨骼机器人研究方面起步较晚，大多处于理论研究阶段。同时由于资金支持力度较小，所设计的实物样机也均略显粗糙。2.关键技术分析关键技术分析外骨骼机器人从功能上看可分为以下几个子系统：机器人机械结构、动力输出及执行系统、姿态感知系统和控制系统。根

13、据美国和日本对人体外骨骼机器人的研究成果，并结合在进行外骨骼机器人各系统设计过程中的经验教训，探讨外骨骼机器人各系统的一些关键技术。2.1 外骨骼机器人的结构设计外骨骼机器人的结构设计外骨骼要求良好的穿戴性和操作舒适性，这对外骨骼的机械系统设计提出了具体的要求。首先，外骨骼的设计必须在充分体现仿生学和人体工程学的基础上，尽量采用拟人化的设计手段。这一点不仅应该体现在具体的结构设计上，而且还要体现在目标功能的实现上。一方面，外骨骼的结构应该尽可能的模拟真实的人体下肢，特别是在各个关节的布置和自由度的分配上；另一方面，外骨骼上驱动元件的布置也要参考人体下肢内主要的代表性肌肉的分布，从而模拟人体行走

14、过程中这些肌肉的相应功能。同时，驱动元件和传感器件的数量也要尽可能少，以达到增加系统鲁棒性和降低系统成本的目的。只有在满足这些条件的前提下，所设计的目标外骨骼才有可能和操作者协调运动且保证两者之间的相互干涉最小。其次，外骨骼的机械结构应该具有长度可调节性，即身材兼容性。由于不同的人的身材不同，即有高矮胖瘦之差，相应的，其下肢的几何尺寸也不尽相同，所以，所设计的机械下肢的尺寸应该允许在一定范围内可以进行调节，从而可以满足大多数人的使用要求，使其适用面更广。再次，外骨骼应该具有坚固、耐用、轻巧、便携的特点。外骨骼在使用过程中，其机械结构不仅要能承受背在载物架上的各种负载的重量，还要能够承受在行走过

15、程中来自地面的冲击力，所以应该首先确保结构的刚度。除此之外，由于本项目的最终目标是建立“自给式”的步行外骨骼，即外骨骼除了需要携带各种常规的仪器和工具之外，还需要随身携带其自身必须的能量供给系统和控制系统，所以外骨骼的本体结构要尽可能的轻，这样不仅可以提高其携带有效载荷的能力，而且可以提高外骨骼的易操作性。外骨骼机构的另一项重点便是其安全性问题，作为和身体密切接触的机械结构，必须以不对人体造成威胁为前提。外骨骼可能出现的安全问题是外骨骼和人肢体运动方向出现分歧。所以在连杆设计的时候必须考虑关节转动限位。2.2 外骨骼机器人驱动单元外骨骼机器人驱动单元外骨骼机器人的驱动系统和驱动器必须质量轻体积

16、小，并且能提供足够大的驱动力矩或扭矩，同时要具有良好的散热性能。当前国际上的外骨骼设备常用的驱动系统主要有电动机驱动系统气压驱动系统液压驱动系统 3 种。目前日本的HAL 机器人采用电机驱动方案，美国的 HULC 以及 XOS-2 机器人采用液压驱动方案，日本神奈川工科大学成功研制的全身型外骨骼机器人（power assist suit，PAS）采用的气压传动装置可将使用者的力量增加 0.5 l.0 倍。三者各有优缺点。电机驱动方案的控制模式简单、直接，控制精度较高，响应快，维护和使用方便，驱动效率高，不污染环境等诸多优点。但能输出较大扭矩的电机体积却较大，不宜布置，影响系统的灵活性；液压驱动

17、方式虽然具有可控性强、传动平稳、驱动力矩大等特点，适用于高速重载的搬运和零件加工机器人。但是在控制响应速度和精度上有先天的不足，且成本高、结构复杂、能量使用率低、密封困难等问题；气压驱动容易达到高速、介质无污染、使用安全、工作压力低，制造要求比液压元件低、管理维护比较容易，但是气动装置的信号传递速度较慢，其稳定性较差，难以控制，噪声较大。2.3 外骨骼机器人的控制策略外骨骼机器人的控制策略外骨骼机器人和其他机器人的最大区别在于它的操作者是人，而不是机器，操作者处于回路中，即“人在回路中（Man in Loop）”，操作者与外骨骼具有实实在在的物理接触，形成了一个人机耦合的一体化系统。人机耦合系

18、统的控制目的就是要使人和机器能够协调地工作，完成任务。(1)预编程控制：外骨骼中有很多是基于康复目的的有外部能源驱动的步态矫正装置。这些装置主要是下肢外骨骼，用于支撑重量，对操作者进行下肢康复训练。这些外骨骼装置通过预先编好的程序来运行，装置的运动轨迹是预先编程设计好的，设计时根据正常人的运动步态来设计并有所改动以适应于矫正装置，但操作者只能进行有限的干预。基于程序控制的康复矫正装置都需要患者使用手杖或者额外的辅助框架来保持操作者行走的稳定，而且实现的运动形式也十分有限。(2)基于人体脑电信号(EEG)的外骨骼控制策略：EEG 是人的大脑皮层产生的一种电脑波，能够直接反映人体运动意图。随着脑机

19、接口技术的发展，EEG 在智能假肢和仪器控制上有了较大发展，但是脑电信号微弱，噪声大，研制成本高，提取困难，数据处理程序较为复杂。该方式常用于肢体瘫痪患者的助力装置设计，但操作者使用该类型装置时必须集中思想，不能分散，否则会影响装置运转，不适用于操作者同一时刻执行多重脑部指令任务。为巴西世界杯开出的第一個球的瘫痪少年身穿一款被命名为“Bra-Santos Dumont”的“外骨骼”，这套装置就是通过患者大脑意识活动进行控制的。(3)基于人体表面肌电信号(sEMG)的外骨骼控制策略：sEMG 是一种复杂的表皮下肌肉电活动在皮肤表面处的时间和空间上的综合结果，可以直接反映人肢体的动作信号，广泛地应

20、用于肌肉运动、肌肉损伤诊断、康复医学及体育运动等方面的研究，尤其是在智能假手方面已经有了成熟的技术；日本筑波大学山海嘉之研制的 HAL-5 外骨骼机器人就是使用贴附在人体皮肤上的电极检测微弱的生物电流，但是肢体的 EMG 信号和关节运动力矩之间的关系并不是完全确定的，并且还要考虑肌力力臂和不同个体生理状况的影响，因此使用 EMG 信号的控制器一般适用于特定操作者的个体设备。另外测量肌电所采用的大部分的电极或传感器必须和人体表面皮肤紧密接触，而在大幅度运动下，此类型传感器容易脱落、易位，并且长时间运动后，人体出汗会影响传感器的测量；EMG 信号中往往包含很强烈的噪声，必须经过额外的处理才能应用于

21、系统中；传感器每次都要贴到人体表面，使用不便。(4)基于运动力学信号的外骨骼控制策略：人体穿上外骨骼行动时，人体动作、人和外骨骼之间、外骨骼和地面之间都会产生运动力学信号，根据这些信号可以采用诸如主从控制、直接力反馈控制、地面反作用力控制、ZMP 控制等控制策略。这些信号较为稳定、有规律，不易受干扰且易于采集，但为保证信号采集的快速性和准确性，必须在外骨骼和人体上使用大量不同类型传感器装置，并且传感器在外骨骼上的合理配置对于运动信息采集的快速性和精确性有很大的影响，故其结构和硬件设计较为复杂。美国伯克利大学的 BLEXX 和雷神的 XOS系列外骨骼利用大量不同类型传感器元件采集运动信息，以达到

22、对外骨骼机器人行为动作和平衡控制，确保使外骨骼快速精确地响应人体的动作。上述几种控制策略单独应用于外骨骼机器人都存在一定的技术缺陷。预编程控制方式会限制外骨骼动作模式的扩展性；脑电信号控制方式会影响人脑对其他动作的控制，易受到外界环境的干扰；肌电信号控制方式安装要求高，穿戴不方便而且容易脱落；基于运力学信号的控制方式对传感器选择和配置方案有较高要求，其硬件较为复杂。3.外骨骼机器人技术难点分析外骨骼机器人技术难点分析在开发一套外骨骼系统的整个 过程中，目标功能最终能否顺利实现取决于很多因素的共同影响和作用，包括设计拟人化的人体下肢外骨骼机构、选用高效的控制方式和控制策略等，解决了这些问题才能使

23、外骨骼系统不仅能够跟随操作者完成必要的肢体运动，而且可以对人体步行适时提供助力，从而大幅度提高人的运动及负载能力。具体来说，为实现最终的功能要求，在整个外骨骼系统的研发过程中，主要存在以下几大技术难点：(1)拟人化外骨骼机构的合理设计。包括：外骨骼机械结构和关节运动副的优化设计，驱动器件和传感器件的合理选择与集成设计，运动自由度的分配和冗余自由度选择等，以便使人穿戴舒适、操作灵活、最大限度地拓展人的活动范围，这是外骨骼开发过程中首先需要解决的一大关键问题。(2)外骨骼步态规划与生成及其运动稳定性问题。步态的规划和生成主要有两种方案：a“离线规划，在线校正”。根据人体运动学统计数据进行外骨骼步态

24、的规划，并且依靠对执行器的精确控制来完成步态的生成；在操作者穿着行走时，外骨骼可以通过和操作者的交互来实时校正和调整步态。b 外骨骼步态学习与复现。除了使用已有的人体运动学统计数据实现步态的生成外，还可以采用先让外骨骼自己跟踪和学习操作者的步态，继而将原步态完整复现的控制策略，增加操作者穿着步行时的舒适感。同时，必须保证外骨骼步态的稳定性调节范围不能超过人体可以调整的范围，以确保行走的平稳和穿戴者的安全。(3)外骨骼和操作者的协调运动问题。外骨骼的控制算法要能保证它可以和操作者始终保持协调一致的运动节奏，以使二者之间的互相干涉作用最小，并可以根据人的运动意图来适时提供助力。保证人穿戴后，运动负

25、担减小，即穿戴外骨骼后行走同样距离的路程人体所消耗的能量比没有穿戴外骨骼时所消耗的能量少。要采用更加符合外骨骼结构实际情况的模型进行运动学及动力学分析，提高运动学和动力学模型的实用性。改进现有的跟随控制策略，使跟随系统效率更高。总之，在人体外骨骼机器人控制系统设计时，需把握 4 个原则：降低行走干涉，降低系统复杂度和成本，具备自适应学习能力，简化控制策略。(4)驱动器和驱动系统的选择。既要有较轻的重量，较小的体积，又必须具有较大的驱动力或驱动扭矩，同时还要有良好的散热性能。这也是可穿戴式的外骨骼系统能否实现“结构紧凑”、“轻巧便携”和“携带动力”等几大要素的关键问题。(5)样机材料的选择。由于

26、下肢步行外骨骼是穿戴在人身上，与人一起运动的，因此必须要求外骨骼非常轻便，同时又要具有很好的刚度，以承受人体和重物的重量以及与地面的碰撞，因此可能需要选用一些新型的复合材料作为样机的制作材料。外骨骼系统的实现与微能源技术，微驱动技术，材料技术和控制技术的发展密切相关，外骨骼机构的研制是一项高度集成的技术，它与各支撑技术的发展是密切相关的，外骨骼技术发展的同时也推动了其他相关技术的发展。4.前景展望前景展望4.1 外骨骼机器人的研究方向外骨骼机器人的研究方向虽然外骨骼机器人技术具有很广的应用前景，但由于该项技术尚不成熟，目前尚未形成大规模产业。从研究领域看，各个国家对该技术的研究方向侧重有所不同

27、。美国的研究方向主要是军事领域，日本则更倾向于医疗康复领域。目前国内外对外骨骼机器人的研究又衍生出许多新的研究方向。4.2外骨骼机器人技术的应用外骨骼机器人技术的应用外骨骼机器人技术的应用主要分布在以下三大方面：军事、民用、医疗。军事领域：外骨骼机器人由于能够有效提高单兵作战能力因而具有很强的吸引力。美国政府已投资数百万美元用于研制新一代基于外骨骼机器人技术的单兵作战装置。这套作战外骨骼系统不仅自身具有能源供应装置、能够对人体提供保护功能，而且还集成了大量的作战武器系统和现代化的通讯系统、传感系统及生命维持系统等，从而把一个普通的士兵变成了“机械超人”。神经康复领域：康复机器人能够保证高效的康

28、复训练，这使得康复机器人技术成为医工结合的崭新研究领域。特别是康复机器人在人机接口、智能化和控制能力等方面的深入研究使得康复机器人能够更加适合残疾人和老年人的使用。对于时刻需要保持运动锻练的患者而言这将是一个好消息。民用领域：外骨骼机器人可以使残疾或行动不便的老年人自行护理自己。在我国，由于人口老龄化的逐步到来，外骨骼机器人技术的应用能够显著减轻人口老龄化所带来的社会压力。随着社会现代化进程的到来，外骨骼机器人技术的应用将会涉及到人类生产生活的各个方面，可以预见，外骨骼机器人技术的发展前景是十分广阔的。但这项技术还面临着一些难题要解决，比如外骨骼机器人的机械系统、控制系统、人体舒适度、运行安全性等的优化设计。但随着能源技术、材料科学技术和控制工程技术的不断发展，这些难题一定会被逐步解决。