下肢外骨骼机器人研究现状及发展趋势

张建中 胡化增 张广浩 李峰

摘 要：外骨骼机器人是可以穿戴在人身体外部的人机一体化机械结构，它与穿戴者一起行走，为其提供助力和保护。详述了下肢外骨骼机器人在各领域的应用，并分别列举各领域的应用实例，分析了下肢外骨骼机器人在设计过程中要解决的关键技术，介绍了外骨骼机器人几种不同的驱动方式，并进行对比分析其优缺点，对下肢外骨骼机器人技术的发展趋势进行预测。

关键词：下肢外骨骼；机器人；可穿戴

中图分类号：TP242.6 文献标志码：A 文章编号：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，外骨骼是一种能够保护和支撑生物柔软內部器官的外部结构，比如螃蟹、蜗牛、昆虫等生物的甲壳。由此，科学们提出了外骨骼机器人的概念-用于保护穿戴者并为其提供额外的动力。比如家庭用辅助型外骨骼机器人可协助年老体弱者正常行走；医用康复外骨骼机器人可使残疾人像正常人那样重新站立起来；军用负重式外骨骼可使士兵在携带负载的情况下依旧健步如飞。由此可见，外骨骼机器人既有研究价值，也有很高的实用价值，已成为国内外科学家们研究的一个重点方向，其发展前景十分广阔[1]。

1 下肢外骨骼机器人研究现状

随着科学技术的发展，比如在仿生学技术、智能控制技术、传感器技术和材料技术等相关领域的突破，外骨骼机器人技术的研究也取得了很大的进步[2]。下面简要介绍下肢外骨骼机器人的研究现状。

外骨骼机器人主要分为三大类。第一类是助力型外骨骼机器人，主要面向健康人群，提高人的负载能力，用于军事领域，可增强士兵负重能力。这方面比较成功的是洛克希德·马丁公司研制出的HULC型外骨骼机器人[3]（如图1

所示）。它总质量约为32kg，主要通过电池提供能量，蓄电池在充满电之后可使士兵在负载90kg并以16km/h的速度行驶的情况下行走一个半小时。其特点是模仿人体结构设计而成，机械腿由钛合金制成，腿部的设计贴合人体运动，从而保证了穿戴者在运动时的安全性和灵活性。

第二类是步态训练康复型外骨骼机器人。主要面向下肢运动能力受损患者的康复治疗中，使患者通过训练以达到逐渐恢复下肢运动的能力，实现自主行走。如图2所示，美国特拉华大学开发的一款名为ALEX的步态康复机器人。临床试验表明，患者通过ALEX的步态训练，行走步态与正常人相似，在步长以及行走速度上都与正常人非常接近，证明了其有效性[4]。

第三类是下肢运动辅助型外骨骼机器人。这类机器人主要面向丧失下肢运动能力的残疾人，以帮助他们能够像正常人那样站立以及行走。比较典型的是以色列开发的名为Re Walk外骨骼机器人（如图3所示）用于帮助下肢瘫痪的残疾人站立、行走和上下楼梯等动作，它采用机器主动控制，系统的动作不随人的意愿而改变，穿戴者跟随机械运动，通过一副拐杖来维持自身的平衡。实验研究表明，患者通过该产品经过训练可以实现站立、行走动作，其生活质量得到了很大的改善。

2 下肢外骨骼机器人研究关键技术

下肢外骨骼机器人技术涉及到机电工程、材料学、人机智能、自动控制、机器人学、信息处理、驱动技术等学科领域，是一种典型的人机一体化系统。主要有以下一些关键技术：

（1）机械结构设计的合理性。具体体现在外骨骼机械结构和自由度的设计应与人体骨骼结构和关节运动自由度相匹配，以保证穿戴者的安全性及操作灵活性，同时外骨骼机器人还应具有一定的可调性，可根据穿戴者体形的不同进行调整，使人穿戴舒适。

（2）控制的智能性。下肢外骨骼机器人要实现人-机系统协调控制必须具有高度智能性。外骨骼机器人跟随人的肢体运动，要能够快速准确感知肢体的运动趋势，并能预判穿戴者的运动意图，做出合理的运动规划，保证系统平稳可靠。

（3）驱动的安全高效性。下肢外骨骼机器人不仅要承受穿戴者以及自身的重量，还要与穿戴者动作保持一致，驱动设计应满足结构紧凑、动力充足、体积小、效率高、质量轻、响应快和高安全性等要求。

（4）材料的选择。外骨骼机器人在设计选材时，在满足机械结构刚度和强度的前提下，选择质量轻便的材料，以便使人轻简便携。

3 下肢外骨骼机器人驱动系统类型

国内外专家学者已对外骨骼机器人进行了大量研究，并设计出多种外骨骼机器人驱动系统，应用在的下肢外骨骼机器人驱动方式常见的有液压驱动、气压驱动、电机驱动等[5]。

3.1 下肢外骨骼机器人液压驱动

常用的液压驱动方式是将外骨骼机器人的髋部、大腿和小腿分别与液压缸相连，通过液压缸的伸缩控制大小腿的运动，实现行走功能。典型的结构有美国加州大学研发的BLEEX外骨骼机器人、洛克希德·马丁公司的HULC外骨骼机器人均采用液压驱动。

3.2 下肢外骨骼机器人气压驱动

气压驱动与液压驱动原理类似，外骨骼机器人的髋部、大腿、小腿分别与气缸相连，通过气缸的伸缩控制外骨骼机器人大小腿的运动，实现行走功能。国内浙江大学研发的下肢康复医疗外骨骼机器人采用气压驱动方式[6]。

3.3 下肢外骨骼机器人电机驱动

目前，下肢外骨骼机器人使用电机驱动的方式主要有两种[7]。一种是将电动机直接安装在机器人的旋转关节上，利用电动机转子的旋转驱动各关节的转动。另一种是利用电动推杆驱动，电动推杆主要由电机和滚珠丝杠组成，将电动推杆两端与外骨骼相连，电动机驱动滚珠丝杠上的螺母旋转，螺母与丝杠螺旋配合，螺母转动促使丝杠做直线运动，从而使机器人大小腿实现模仿人体运动。如中国科学技术大学研制的可穿戴型助力机器人采用电机驱动[8]。

4 外骨骼机器人驱动系统对比分析

液压驱动传动平稳，结构紧凑、惯性小，易控制。但是液压传动对液压油温度的变化较敏感，并且会发生一定程度的漏油，易污染环境，传动过程中不能严格保证传动比，使用效率低。液压驱动大多用于抗震救灾和士兵作战等用途的外骨骼机器人，其承受负载较大。

气压驱动与液压驱动原理类似，其优点是使用安全、介质不产生污染、工作压力低； 缺点是由于空气具有可压缩性，导致运动速度易发生变化，不利于精确控制其速度及位置，一般多用于小功率传动。

电机驱动系统结构简单、响应快，效率高、使用维护方便。但若外骨骼机器人要求较大的动力驱动，则相应电动机尺寸也会偏大，不利于外骨骼机器人整体的轻量化，而且也会影响机构的平衡性。电机驱动大多用于负载作用小，起康复作用的外骨骼机器人上。

5 结束语

随着机器人技术及其它相关学科领域的不断创新与研究，外骨骼机器人将为人们提供更好的服务，高度智能化、微型化、安全可靠以及柔性化将是外骨骼机器人未来的发展趋势。

参考文献：

[1]尹军茂.穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计[D].北京工业大学，2010.

[2]李会营，王惠源，张鹏军，等.外骨骼机器人发展趋势研究[J].机械工程师，2011（08）：9-10.

[3]H.KAZEROONI. HUMAN AUGMENTATION AND EXOSKELETON SYSTEMS IN BERKELEY[J]. International Journal of Humanoid Robotics， 2007， 4（03）：575-605

[4]Banala S K， Agrawal S K， Kim S H， et al. Novel Gait Adaptation and Neuromotor Training Results Using an Active Leg Exoskeleton[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2010， 15（2）：216-225.

[5]劉会勇，赵青.下肢外骨骼助行机器人驱动系统分析[J].机床与压，2013，41（13）：168-171.

[6]张欣.下肢康复医疗外骨骼气动控制系统的设计和实验研究[D].浙江大学，2009.

[7]张增峰，陈炜，李浩，等.外骨骼机器人驱动方式的研究[J].医疗卫生装备，2016，37（08）：126-129.

[8]陈峰.可穿戴型助力机器人技术研究[D].中国科学技术大学，2007.