人体下肢外骨骼机器人的研究进展

林宏衡，夏虹，王建华，周民伟

外骨骼（exoskeleton）原指生物界中为生物提供保护、支持的坚硬外部结构[1]。随着科技的进步以及仿生学的发展，人体外骨骼的研究开始受到学者们的广泛关注。人体下肢外骨骼机器人是一种可以穿戴，以人为主、机械为辅的人机一体化机械装置[2-3]，不仅具备保护人体和支持人体结构的功能，还大大增强了人体的力量、速度和耐力[4]。其设计的基本思想是强调人机之间的交互与配合，人向外骨骼传达控制指令，而外骨骼则向人体提供运动所需的能量，最终达到人的智能与机械力量相互补充、相互作用的效果。

下肢外骨骼机器人研究最早起源于上世纪40年代末期，苏联科学家研制了世界上第1套电机驱动下肢外骨骼系统[5]。经过近70年的发展，这一技术逐渐走向成熟。从功能上划分，下肢外骨骼机器人可归纳为外骨骼下肢联接系统、驱动系统、控制系统和传感系统等4个系统[6]，其关键技术主要包括：（1）步态分析和步态稳定控制；（2）多传感器的选择与信息融合；（3）控制系统；（4）驱动方式与能源[7]。其研究方向是通过机械辅助，不断将个体机能最大化，进而支持及重建残障人士丧失或减弱的功能。近20年来，随着信息技术的迅速兴起，以美国、日本为代表的世界各国都积极投入到下肢外骨骼机器人的研究中，这一领域开始进入快速发展时期[8]，目前主要运用于军事、生活、医疗等领域[9]，以下就下肢外骨骼机器人的不同应用领域进行综述。

1 军用领域

美国是最早开始对外骨骼机器人进行研究的国家之一。自2000年始，美军致力于开展“增强人体机能的外骨骼（Exoskeletons for Human Performance Augmentation，EHPA）”项目研究[10]，美国政府投资数百万美元研制基于外骨骼的新一代单兵作战装置。该外骨骼系统不仅自身具有能源供应装置，提供保护功能；而且集成大量作战武器系统以及现代化的通讯系统、传感系统和生命维持系统，打造出现实生活中的“钢铁侠”。该系统可以使长途行军的士兵在消耗较少体力的同时有能力背负沉重装备[11]。

1.1 外骨骼助力机器人（Berkeley lower extremity，BLEEX）

作为与美军合作的项目，美国加州大学伯克利分校于2004年研制出第1台配有移动电源、能够负重的下肢外骨骼外机器人BLEEX[12-13]。该设备由高级防御研究工程机构设计，主要由燃料供给系统、发动机系统、控制系统、检测系统、液压传动系统及外骨骼机构组成。使用者通过传动带将自身腿部与机械外骨骼下肢相连。该装置可平衡自身重量，穿戴者无负重感，还可额外负重32 kg，并使士兵能够保持以1.3 m/s的速度自如行走。除了军事领域，该装置在民用领域也有很好的发展，如协助登山爱好者及需携带沉重设备的野外工作者等。

1.2 人类负重外骨骼（human universal load carrier，HULC）

洛克希德·马丁公司于2009年推出一种可大幅度提升士兵负重能力的金属骨架——HULC[14]，它是一种能够通过提供外力来满足士兵机动性、支撑性需要的机器人技术装备。该装备在一次充满电后，可保证穿戴人员以4.8 km/h的速度背负90 kg重物连续行进1 h。其主要特点：（1）最大负重量可达到90.7 kg；（2）先进的便携式微型计算机可使其与士兵的运动频率保持协调一致，完全非捆绑式、液压驱动的人形外骨骼使士兵的行动坐卧毫不费力，冲刺速度可达到16 km/h；（3）即使在电池电力耗尽时，系统仍能正常工作；（4）便于穿戴，易于携带，折叠后可放入一个小包裹内。

1.3 外骨骼机器人（XOS）

美国另一个军事合作项目——Raytheon Sarcos XOS2代表了目前机械外骨骼领域最尖端的技术。它的控制思想同BLEEX一样，控制系统通过检测系统和微机系统来判断人的下一个动作，从而明确需要加给人体的助力和速度，并通过液压系统将力传给外骨骼机构。不同的是，BLEEX是下肢外骨骼机器人，而XOS则是全身武装的外骨骼机器人。与之前的外骨骼设备相较，XOS动作敏捷，且能够利用置于身体上的传感器，毫不延迟地对身体动作产生反应，进而输出强大的力量。穿上XOS时，即使普通人也变成了大力士，能够轻松举起上百公斤的物体[15]。

2 民用领域

下肢骨骼机器人在民用领域有非常广阔的市场，应用较为广泛，主要包括协助下肢瘫痪患者进行康复训练，为残障人士及老年人的日常生活提供辅助功能等。随着全球人口老龄化问题的日益严重，以及发达国家劳动力的缺失，欧美、日本等国，尤其是日本，对各种辅助机器人的研究表现出极大的兴趣。

2.1 外骨骼机器人Lokomat

由瑞士工程师杰里·科伦坡发明的外骨骼机器人Lokomat是世界上第1台针对下肢瘫痪患者进行康复训练的机器人，主要用于对脊髓损伤、脑卒中及其它神经损伤患者的康复治疗[16]。Lokomat将外骨骼机器人技术与近年来公认的最佳步态训练方法——减压平板治疗相结合，使患者在康复早期即可进行减压运动平板治疗，促进了步态的改善[17]及中枢神经系统功能的重塑[18]，突破了传统训练持续时间短、强度低、重复性差以及康复治疗师体力消耗大等限制[19]。此外，该机器人还具有人工智能，能根据不同病人对标准步态的抵触情况实时修正步态，实现人机之间的协调康复训练[20]。

2.2 下肢运动辅助外骨骼（hybrid assistive limb，HAL）系列

日本筑波大学开发的HAL系列下肢运动辅助外骨骼，是目前研究较为成熟的下肢柔性外骨骼系统[21]。该系统具备了人工智能，其运动系统通过皮肤表面能够探查到大脑传出的微弱的肌肉运动信号，进而控制肌肉运动[22]，协助脑卒中及下肢瘫痪患者的行走。其最新发明HAL-5是一款半机器人，可以协助佩戴者完成站立、步行、爬楼梯等动作，几乎日常生活中的一切活动都可以借助HAL-5来完成。可以预见，在老龄化现象日趋严重的今天，这种助力机器人将拥有非常广阔的市场空间[23]。

2.3 机械裤ReWalk

以色列埃尔格医学技术公司机械长裤ReWalk的研发主要是希望瘫痪病人能够摆脱轮椅，像正常人一样行走。它可以感应截瘫患者细微动作及重心位置的变化，协助他们站立、步行甚至爬楼梯。当截瘫患者身体前倾，以不同方式活动上身时，这款设备可以通过支架帮助其站立和行走。经过在以色列和美国多年的临床试验，这套装置已于2011年开始在世界范围内发售[24]。

2.4 其它装置

美国AppliedMotion公司开发出第1个行走外骨骼装置“SpringWalker”，能够令使用者健步如飞。目前公司正在完善其伺服电力系统，使佩戴者轻松达到4 min跑1英里的专业运动员水平[25]。东京大学研制动力辅助服（power assist suit），运用肌肉压力传感器分析佩戴者的运动状况，通过气压传动装置增强人体的力量，可令使用者平均省力62%[26]。

3 国内研究现状

在我国，针对外骨骼机器人技术的研究虽然处于起步阶段，但起点高，近几年发展迅速。南京理工大学机械学院赵彦峻等[27]通过分析人类下肢关节的特点、行走步态及下肢自由度，并结合下肢外骨骼工作原理及结构组成，设计出一种提高士兵载荷的下肢外骨骼装置。哈尔滨工业大学[28]研制了AVR单片机下肢外骨骼机器人。清华大学精密仪器系康复工程研究中心[29]发明了步态康复训练 机 器 人（gait rehabilitation training system，GRTS）。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室[30]从上世纪90年代开始致力于人机一体化理论研究，并衍生出人机智能柔性外骨骼技术研究，开发了下肢运动康复训练外骨骼系统等。

4 结语

下肢外骨骼机器人系统的研究经过几十年的发展，目前已日益成熟，并逐步向市场普及，其研究用途也由军事领域向民用领域延伸，特别是在临床康复方面，拥有广泛的开拓空间。它为老年人、残障人士、截瘫患者带来福音，不仅有望提高他们的生活自理能力，增强生活乐趣，实现其站立、走路，甚至跑步的梦想；而且还使工作能力获得部分恢复，为再次融入社会、实现人生价值提供可能。

[1]王一吉,李建军.一种可提高和改善步行功能的装置:动力下肢外骨骼系统的设计及应用[J].中国康复理论与实践,2011,17(7):628-631.

[2]杨灿军,陈鹰,路雨祥.人机一体化智能系统理论及应用研究探索[J].机械工程学报,2000,36(6):42-47.

[3]陈鹰,杨灿军.人体智能系统理论与方法[M].杭州:浙江大学出版社,2006.

[4]Kazerooni H,Racine J-L,Huang LH.Ryan steger on the control of Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX)[C].Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Barcelona:IEEE,2005:4353-4360.

[5]董亦鸣,杨灿军.下肢康复医疗外骨骼训练控制系统研究与初步实现[D].杭州:浙江大学,2008.

[6]Hiroaki K,Yoshiyuki S.Power assist method based on phase sequence driven by interaction between human and robot suit[C].Proceedings of 13th IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication.Okayama:IEEE,2004:491-496.

[7]柯显信,陈玉亮,唐文彬.人体下肢外骨骼机器人的发展及关键技术分析[J].机器人技术与应用,2009,6:28-32.

[8]Pratt J,Krupp B,Morse C,et al.The roboknee:an exoskeleton for enhancing strength during walking [C].Proceedings of the 2004 International IEEE Conference on Robotics and Automation.New Orleans:IEEE,2004:2430-2435.

[9]Miyoshi T,Hiramatsu K,Yamamoto S,et al.Robotic gait trainer in water:development of an underwater gait-training orthosis[J].Disabil Rehabil,2008,30(2):81-87.

[10]张凯.单兵外骨骼结构与运动分析[J].科技创新导报,2011,13:224,226.

[11]Racine JL.Control of a lower extremity exoskeleton for human performance amplification[D].Berkeley:University of Califonia Berkeley,2003.

[12]Zoss AB,Kazerooni H,Chu A.On the biomimetic design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX).IEEE/ASME Trans Mechatronics,2006,11(2):128-138.

[13]Chu A.Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX)[D].USA:University of California,Berkeley,2005.

[14]Berkeley Exoskelet on(BLEEX),Berkeley Robotics Laboratory[EB/OL].http://bleex.me.berkele/edu/blees.htm.

[15]Building the real iron man[EB/OL].http://www.popsci.com/scitech/article/2008-04/building-real-iron-man,2008.

[16]Neckel N,Wisman W,Hidler J.Limb alignment and kinematics inside a Lokomat robotic orthosis[C].Proceedings of the 28th AnnualInternationalConference ofthe IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.New York:2006.

[17]尤爱居,辛玉甫,范波.减重步态训练对脑外伤患者记忆功能障碍和注意力缺陷的影响[J].中华物理医学与康复杂志,2010,32(4):297-299.

[18]赵文汝,赵海红,霍剑菲,等.异常步态校正减重步态重塑训练装置的机制及其临床适应症[J].中国组织工程研究与临床康复,2009,13(48):9455-9458.

[19]Hornby TG,Zemon DH,Campbell D.Robotic-assisted,bodyweight-supported treadmill training in individuals following motor incomplete spinal cord injury[J].Phys Ther,2005,85(1):52-66.

[20]Lokomat Rehabilitation Device.Hocoma AG Medical Engineering,Switzerland[EB/OL].http://www.hocoma.ch.2007.

[21]Sankai Y.Leading edge of cybernics:Robot Suit HAL.Proceeding of SICE-ICASE International Joint Conference 2006.Busan:2006.

[22]Romero J.Robot Suit[EB/OL].HAL Demo at CES 2011.http://spectrum.ieee.org/automation/robotics/medical-robots/robot-suit-hal-demo-at-ces-2011.

[23]世界十大机器外骨骼[EB/OL].http://tech.cn.yahoo.com/newspic/tech/2025/.

[24]ReWalk-General Description[EB/OL].http://www.argomedtec.com/products.asp.

[25]SpringWalker[EB/OL].http://springwalker.com/.

[26]东京大学研发机器人服装能为老人提供帮助[EB/OL].http://discover.news.163.com/10/0412/09/642DRF03000125LI.html.

[27]赵彦峻,徐诚.人体下肢外骨骼设计与仿真分析[J].系统仿真学报,2008,20(17):4756-4759.

[28]Reinkensmeyer DJ,Aoyagi D,Emken JL,et al.Tool for understanding and optimizing robotic gait training [J].J Rehabil Res Dev,2006,43(5):657-670.

[29]程方,王人成,贾晓红,等.减重步态康复机器人研究进展[J].中国康复医学杂志,2008,23(4):366-368.

[30]把机器人穿在身上 [EB/OL].http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2011/1/240616.html?id=240616.