外骨骼机器人的研究发展
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在 BLEXX 下肢外骨骼机器人基础上，洛克希德·马丁公 司和伯克利分校共同开发了一款下肢外骨骼机器人 HULC （如图 5 所示），该设备优化设计了 BLEXX 部分液压传动装 置结构，可以使穿戴者完成匍匐前进和下蹲等动作，HULC 的 背部设计了一款搬举装置，该装置可使使用者能搬举需 2 人 甚至更多人才能搬举的重物。HULC 外骨骼可以明显地增强 使用者的负重行走能力，且穿戴方便，脱下仅需 30 s[7-8]。
·８２·
General Review 综
述
机械手（如图 2 所示），操作者使用该装置抓取重物时可通过 机械手上的电磁力反馈感知重物的质量、形状以及惯量；借 助该机械手，操作者可以轻易地将 10 倍于自己体质量的物 体抓起[3]。
研制的第一台能够负重且带移动电源的外骨骼机器人。 BLEEX 外骨骼机器人由动力设备、背包式支架、2 条仿生机 械动力腿组成，采用液压驱动，其液压泵能源来源于其背包 式支架中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪。整套装备 质量约为 45 kg，试验者戴上该装备，再携带一个质量达 35 kg 的背包，仍可行走自如[4-6]。
2004 年，美国加州大学伯克利分校研制出的下肢外骨骼 机器人（Berkeley lower extremity exoskeleton，BLEEX）（如图 4 所示），是美国国防部高级研究项目局（DARPA）EHPA 项目
图 4 BLEEX 外骨骼机器人 图 5 HULC 外骨骼机器人
新加坡南洋理工大学的罗锦发教授研究开发了一种用 于长时间负重行走的下肢外骨骼机器人。该系统主要由外侧 外骨骼和连接在人体下肢的内侧外骨骼组成，采用了电动机 驱动，可增强人体耐力、力量和速度。当使用者穿上该设备 时，以内侧外骨骼上的传感器测得的关节角度值作为电动机 输出的依据，驱动外侧外骨骼提供助力。另外，罗锦发教授应 用零力矩点（zero moment point，ZMP）理论对外骨骼机器人行 走的稳定性进行了研究[9]。 1.3 全身外骨骼机器人
综
述 General Review
·８３·
图 6 Raytheon 外骨骼机器人 Sarcos XOS-1 和 XOS-2
品 HAL-5 为全身外骨骼机器人，如图 7 所示。该装置质量为 21 kg，上肢可负重 40 kg，下肢可负重 100 kg，其利用角度传 感器、力传感器和置于人体表面的肌电信号传感器来获取外 骨骼和人体的运动状态信息，采用电动机驱动系统，能量来 源于其自带的电池。HAL 系列外骨骼机器人可以辅助老年人 及残疾人行走、上下楼梯等动作[11-13]。
日本筑波大学山海嘉之教授开发研制了混合辅助动力 腿（hybrid assistive leg，HAL）系列外骨骼机器人，其第五代产
·医疗卫生装备·2013 年 4 月第 34 卷第 4 期 Chinese Medical Equipment Journal·Vol．34·No．4·April·2013
来自百度文库
图 8 PAS 外骨骼机器人
1.4 其他外骨骼机器人 外骨骼机器人逐渐向着多元化、多功能化、民众化方向
发展，外骨骼装置的类型和功能越来越齐全。例如各类关节 矫正或恢复性训练的关节外骨骼机器人：麻省理工学院研 制的踝矫形器和美国东北大学的膝关节矫形器等；国外日 益流行的健身外骨骼系统；美国西佛罗里达大学正在研究的 水下外骨骼技术等。随着技术的发展，外骨骼机器人将更加 多样化和多功能化，将会在娱乐、医疗等方面得到全方位的 应用[15]。
人体上肢的主要功能是操作、抓取和推举等，因此设计上 肢外骨骼机器人要考虑肩、肘、腕关节以及上臂、前臂和手掌 等运动学元素以及人体上肢多自由度柔性操作等多种特性。
美国是最早进行外骨骼装备研究的国家之一，20 世纪 60 年代，美国通用电器公司就研发了一种基于主从控制的外 骨骼原型机哈迪曼（Hardiman）外骨骼手，如图 1 所示。其设 计目的是协助使用者在外 太空、核工厂、水下等进行 工作。
日本神奈川理工学院研制出一种用于协助医院护士照 料患者的气动外骨骼助力服（power assist auit，PAS），如图 8 所示。PAS 可以将人体的力量增加 0.5~1 倍，为了减小动力和 控制系统的体积，该装置采用了便携式镍镉电池和微型气泵[14]。
图 7 驻波大学 HAL-5 外骨骼机器人
0 引言
外骨骼（exoskeleton）原指为生物提供保护和支持的坚硬 的外部结构，外骨骼机器人（exoskeleton robot）可理解为一种 结合了人的智能和机器人机械能量的人机结合可穿戴装备。 外骨骼机器人技术在许多领域有着很好的应用前景：在军事 领域，外骨骼机器人可以使士兵携带更多的武器装备，其本 身的动力装置和运动系统能够增强士兵的行军能力，可以有 效提高单兵作战能力；在民用领域，外骨骼机器人可以广泛 应用于登山、旅游、消防、救灾等需要背负沉重的物资、装备 而车辆又无法使用的情况；在医疗领域，外骨骼机器人可以 用于辅助残疾人、老年人及下肢肌无力患者行走，也可以帮 助他们进行强迫性康复运动等，具有很好的发展前景[1]。
20 世纪 90 年代，随着 材料、控制、传感等机器人 技术的发展，外骨骼技术 取得了较大进展。20 世纪 末，加州大学伯克利分校 开发了一种通过控制杆来 操作的电液增力型外骨骼 图 1 Hardiman 外骨骼系统
·医疗卫生装备·2013 年 4 月第 34 卷第 4 期 Chinese Medical Equipment Journal·Vol．34·No．4·April·2013
（a）四自由度轮椅式 上肢外骨骼机器人
（b）七自由度上肢 外骨骼装置
图 3 上肢外骨骼机器人
1.2 下肢外骨骼机器人 人体下肢主要承担站立、保持平衡、行走等功能，其运动
结构比上肢要简单一些。设计下肢外骨骼需要较大的关节输 出，且要考虑步态稳定、平衡等因素，其机械结构设计、控制 算法等较为复杂。
2000 年，美国国防部高级研究项目局（defense advanced research projects agency，DARPA）资助加州大学伯克利分校的 人体工程实验室（HEL）、SARCOS 机器人公司、橡树岭国家实 验室（ORNL）和 Millennium Jet 公司等开展了增力外骨骼机 器人的研究。
2010 年雷神又发布了第二代外骨骼机械装 XOS-2，如 图 6 所示，该装置同样为全身式外骨骼机器人，是第一代的 改 进 版 ，比 第 一 代 更 轻 、更 快 、更 强 ，同 时 将 耗 电 量 降 低 了 50%。XOS-2 由一系列结构、传感器、传动装置以及控制器构 成，由高压液压驱动。借助于这种外骨骼，佩戴者可轻松将 200 lb 的重物举起几百次而不会感到疲劳，还可重复击穿 3 in（1 in=2.54 cm）厚的木板。该装置十分轻便，士兵穿着它 可以完成踢足球、击打速度球、爬楼梯和下坡等动作[10]。
1 外骨骼机器人的类型与结构
外骨骼机器人是一种结合了人的智能和机械动力装置 机械能量的人机结合的可穿戴装备。从结构上来说，外骨骼 机器人大致可以分为上肢外骨骼机器人、下肢外骨骼机器人、 全身外骨骼机器人和各类关节矫正或恢复性训练的关节外 骨骼机器人。从功能上划分，外骨骼装置大致可以分为 2 种：第一种是以辅助和康复治疗为主的外骨骼机器人，例如 辅助残疾人或老年人行走的外骨骼机器人，还有辅助肢体
作者简介：柴 虎（1986—），男，硕士研究生，主要研究方向为医疗电子仪 器 ，E-mail：1036228040@qq.com。 通讯作者：张 西 正 ，E-mail：z56787@sohu.com
受损或运动功能部分丧失的患者进行康复治疗和恢复性训 练的外骨骼机器人[2]；另一种是以增强正常人力量、速度、负 重和耐力等人体机能的增力型外骨骼机器人。近年来，许多 国家开展了外骨骼装备的研制，并逐步将其应用于军事作战 装备、辅助医疗设备、助力设备等领域，其中美国和日本在外 骨骼机器人的研制上取得的成果最为显著。 1.1 上肢外骨骼机器人
图 2 加州大学伯克利分校开发的电液增力型外骨骼抓取机械手
美国 SARCOS 公司、美国 EXOS、日本佐贺大学、东京大 学、美国索尔福德大学、华盛顿大学、斯坦福大学等相继开展 了上肢外骨骼技术的研究，如图 3 所示。图 3 中（a）为日本佐 贺大学研究的四自由度轮椅式上肢外骨骼机器人，该装置可 以辅助上肢动作，实现肩部与肘部在垂直与水平上的弯曲和 伸展；图 3（b）为索尔福德大学研制的七自由度上肢外骨骼装 置，该装置可以辅助上肢动作，实现肩关节、肘关节、手腕和 尺/桡骨的弯曲和伸展等运动[4]。
2008 年美国萨克斯公司 Steve Jacobsen 等人成功研制出 外骨骼机器人 XOS-1，如图 6 所示。该装置为全身式外骨骼 机器人，利用附在身体上的传感器可快速有力地响应穿戴者 的行为动作。当使用者穿上 XOS-1 时，能轻松地将 200 lb （1 lb=0.453 6 kg）的重物连续举 50~500 次。该装备以自带电 池为动力源，但只能使用 40 min。
综
述 General Review
·８１·
外骨骼机器人的研究发展
柴 虎 1，2，侍才洪 2，王贺燕 2，张坤亮 2，杨康健 2，赵润洲 2，张西正 2 （1.南方医科大学生物医学工程学院，广州 510515； 2.军事医学科学院卫生装备研究所，天津 300161）
[摘要] 介绍了外骨骼机器人的概念与分类，阐述了近年来国际上外骨骼机器人技术的发展状况及其应用前景，对典 型的外骨骼机器人进行了介绍。 分析了外骨骼人机智能系统中的拟人化机械结构设计、驱动系统选择、能源问题及控 制系统原理等关键技术的发展，指出现有外骨骼机器人技术的优势与不足，对未来外骨骼机器人技术的发展前景进 行了展望。 [关键词] 外骨骼；机器人；人机结合 [中国图书资料分类号] R318.6 [文献标志码] A [文章编号] 1003-8868（2013）04-081-04 DOI：10.7687/J.ISSN1003-8868.2013.04.081
Development of Exoskeleton Robot Study
CHAI Hu1,2, SHI Cai-hong2, WANG He-yan2, ZHANG Kun-liang2, YANG Kang-jian2, ZHAO Run-zhou2, ZHANG Xi-zheng2
(1.School of Biomedical Engineering, Southern medical University, Guangzhou 510515, China; 2. Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Science, Tianjin 300161, China） Abstract The concept and classification of the exoskeleton robot are introduced in brief, along with its progress, prospective and representatives. The personated mechanical structure design, driving system selection, energy sources and control system principle of the exoskeleton robot are discussed, whose advantages, disadvantages and prospective are also explored. [Chinese Medical Equipment Journal，2013，34（4）：81-84] Key words exoskeleton; robot; human-machine cooperation
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General Review 综
述
机械手（如图 2 所示），操作者使用该装置抓取重物时可通过 机械手上的电磁力反馈感知重物的质量、形状以及惯量；借 助该机械手，操作者可以轻易地将 10 倍于自己体质量的物 体抓起[3]。
研制的第一台能够负重且带移动电源的外骨骼机器人。 BLEEX 外骨骼机器人由动力设备、背包式支架、2 条仿生机 械动力腿组成，采用液压驱动，其液压泵能源来源于其背包 式支架中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪。整套装备 质量约为 45 kg，试验者戴上该装备，再携带一个质量达 35 kg 的背包，仍可行走自如[4-6]。
2004 年，美国加州大学伯克利分校研制出的下肢外骨骼 机器人（Berkeley lower extremity exoskeleton，BLEEX）（如图 4 所示），是美国国防部高级研究项目局（DARPA）EHPA 项目
图 4 BLEEX 外骨骼机器人 图 5 HULC 外骨骼机器人
新加坡南洋理工大学的罗锦发教授研究开发了一种用 于长时间负重行走的下肢外骨骼机器人。该系统主要由外侧 外骨骼和连接在人体下肢的内侧外骨骼组成，采用了电动机 驱动，可增强人体耐力、力量和速度。当使用者穿上该设备 时，以内侧外骨骼上的传感器测得的关节角度值作为电动机 输出的依据，驱动外侧外骨骼提供助力。另外，罗锦发教授应 用零力矩点（zero moment point，ZMP）理论对外骨骼机器人行 走的稳定性进行了研究[9]。 1.3 全身外骨骼机器人
综
述 General Review
·８３·
图 6 Raytheon 外骨骼机器人 Sarcos XOS-1 和 XOS-2
品 HAL-5 为全身外骨骼机器人，如图 7 所示。该装置质量为 21 kg，上肢可负重 40 kg，下肢可负重 100 kg，其利用角度传 感器、力传感器和置于人体表面的肌电信号传感器来获取外 骨骼和人体的运动状态信息，采用电动机驱动系统，能量来 源于其自带的电池。HAL 系列外骨骼机器人可以辅助老年人 及残疾人行走、上下楼梯等动作[11-13]。
日本筑波大学山海嘉之教授开发研制了混合辅助动力 腿（hybrid assistive leg，HAL）系列外骨骼机器人，其第五代产
·医疗卫生装备·2013 年 4 月第 34 卷第 4 期 Chinese Medical Equipment Journal·Vol．34·No．4·April·2013
来自百度文库
图 8 PAS 外骨骼机器人
1.4 其他外骨骼机器人 外骨骼机器人逐渐向着多元化、多功能化、民众化方向
发展，外骨骼装置的类型和功能越来越齐全。例如各类关节 矫正或恢复性训练的关节外骨骼机器人：麻省理工学院研 制的踝矫形器和美国东北大学的膝关节矫形器等；国外日 益流行的健身外骨骼系统；美国西佛罗里达大学正在研究的 水下外骨骼技术等。随着技术的发展，外骨骼机器人将更加 多样化和多功能化，将会在娱乐、医疗等方面得到全方位的 应用[15]。
人体上肢的主要功能是操作、抓取和推举等，因此设计上 肢外骨骼机器人要考虑肩、肘、腕关节以及上臂、前臂和手掌 等运动学元素以及人体上肢多自由度柔性操作等多种特性。
美国是最早进行外骨骼装备研究的国家之一，20 世纪 60 年代，美国通用电器公司就研发了一种基于主从控制的外 骨骼原型机哈迪曼（Hardiman）外骨骼手，如图 1 所示。其设 计目的是协助使用者在外 太空、核工厂、水下等进行 工作。
日本神奈川理工学院研制出一种用于协助医院护士照 料患者的气动外骨骼助力服（power assist auit，PAS），如图 8 所示。PAS 可以将人体的力量增加 0.5~1 倍，为了减小动力和 控制系统的体积，该装置采用了便携式镍镉电池和微型气泵[14]。
图 7 驻波大学 HAL-5 外骨骼机器人
0 引言
外骨骼（exoskeleton）原指为生物提供保护和支持的坚硬 的外部结构，外骨骼机器人（exoskeleton robot）可理解为一种 结合了人的智能和机器人机械能量的人机结合可穿戴装备。 外骨骼机器人技术在许多领域有着很好的应用前景：在军事 领域，外骨骼机器人可以使士兵携带更多的武器装备，其本 身的动力装置和运动系统能够增强士兵的行军能力，可以有 效提高单兵作战能力；在民用领域，外骨骼机器人可以广泛 应用于登山、旅游、消防、救灾等需要背负沉重的物资、装备 而车辆又无法使用的情况；在医疗领域，外骨骼机器人可以 用于辅助残疾人、老年人及下肢肌无力患者行走，也可以帮 助他们进行强迫性康复运动等，具有很好的发展前景[1]。
20 世纪 90 年代，随着 材料、控制、传感等机器人 技术的发展，外骨骼技术 取得了较大进展。20 世纪 末，加州大学伯克利分校 开发了一种通过控制杆来 操作的电液增力型外骨骼 图 1 Hardiman 外骨骼系统
·医疗卫生装备·2013 年 4 月第 34 卷第 4 期 Chinese Medical Equipment Journal·Vol．34·No．4·April·2013
（a）四自由度轮椅式 上肢外骨骼机器人
（b）七自由度上肢 外骨骼装置
图 3 上肢外骨骼机器人
1.2 下肢外骨骼机器人 人体下肢主要承担站立、保持平衡、行走等功能，其运动
结构比上肢要简单一些。设计下肢外骨骼需要较大的关节输 出，且要考虑步态稳定、平衡等因素，其机械结构设计、控制 算法等较为复杂。
2000 年，美国国防部高级研究项目局（defense advanced research projects agency，DARPA）资助加州大学伯克利分校的 人体工程实验室（HEL）、SARCOS 机器人公司、橡树岭国家实 验室（ORNL）和 Millennium Jet 公司等开展了增力外骨骼机 器人的研究。
2010 年雷神又发布了第二代外骨骼机械装 XOS-2，如 图 6 所示，该装置同样为全身式外骨骼机器人，是第一代的 改 进 版 ，比 第 一 代 更 轻 、更 快 、更 强 ，同 时 将 耗 电 量 降 低 了 50%。XOS-2 由一系列结构、传感器、传动装置以及控制器构 成，由高压液压驱动。借助于这种外骨骼，佩戴者可轻松将 200 lb 的重物举起几百次而不会感到疲劳，还可重复击穿 3 in（1 in=2.54 cm）厚的木板。该装置十分轻便，士兵穿着它 可以完成踢足球、击打速度球、爬楼梯和下坡等动作[10]。
1 外骨骼机器人的类型与结构
外骨骼机器人是一种结合了人的智能和机械动力装置 机械能量的人机结合的可穿戴装备。从结构上来说，外骨骼 机器人大致可以分为上肢外骨骼机器人、下肢外骨骼机器人、 全身外骨骼机器人和各类关节矫正或恢复性训练的关节外 骨骼机器人。从功能上划分，外骨骼装置大致可以分为 2 种：第一种是以辅助和康复治疗为主的外骨骼机器人，例如 辅助残疾人或老年人行走的外骨骼机器人，还有辅助肢体
作者简介：柴 虎（1986—），男，硕士研究生，主要研究方向为医疗电子仪 器 ，E-mail：1036228040@qq.com。 通讯作者：张 西 正 ，E-mail：z56787@sohu.com
受损或运动功能部分丧失的患者进行康复治疗和恢复性训 练的外骨骼机器人[2]；另一种是以增强正常人力量、速度、负 重和耐力等人体机能的增力型外骨骼机器人。近年来，许多 国家开展了外骨骼装备的研制，并逐步将其应用于军事作战 装备、辅助医疗设备、助力设备等领域，其中美国和日本在外 骨骼机器人的研制上取得的成果最为显著。 1.1 上肢外骨骼机器人
图 2 加州大学伯克利分校开发的电液增力型外骨骼抓取机械手
美国 SARCOS 公司、美国 EXOS、日本佐贺大学、东京大 学、美国索尔福德大学、华盛顿大学、斯坦福大学等相继开展 了上肢外骨骼技术的研究，如图 3 所示。图 3 中（a）为日本佐 贺大学研究的四自由度轮椅式上肢外骨骼机器人，该装置可 以辅助上肢动作，实现肩部与肘部在垂直与水平上的弯曲和 伸展；图 3（b）为索尔福德大学研制的七自由度上肢外骨骼装 置，该装置可以辅助上肢动作，实现肩关节、肘关节、手腕和 尺/桡骨的弯曲和伸展等运动[4]。
2008 年美国萨克斯公司 Steve Jacobsen 等人成功研制出 外骨骼机器人 XOS-1，如图 6 所示。该装置为全身式外骨骼 机器人，利用附在身体上的传感器可快速有力地响应穿戴者 的行为动作。当使用者穿上 XOS-1 时，能轻松地将 200 lb （1 lb=0.453 6 kg）的重物连续举 50~500 次。该装备以自带电 池为动力源，但只能使用 40 min。
综
述 General Review
·８１·
外骨骼机器人的研究发展
柴 虎 1，2，侍才洪 2，王贺燕 2，张坤亮 2，杨康健 2，赵润洲 2，张西正 2 （1.南方医科大学生物医学工程学院，广州 510515； 2.军事医学科学院卫生装备研究所，天津 300161）
[摘要] 介绍了外骨骼机器人的概念与分类，阐述了近年来国际上外骨骼机器人技术的发展状况及其应用前景，对典 型的外骨骼机器人进行了介绍。 分析了外骨骼人机智能系统中的拟人化机械结构设计、驱动系统选择、能源问题及控 制系统原理等关键技术的发展，指出现有外骨骼机器人技术的优势与不足，对未来外骨骼机器人技术的发展前景进 行了展望。 [关键词] 外骨骼；机器人；人机结合 [中国图书资料分类号] R318.6 [文献标志码] A [文章编号] 1003-8868（2013）04-081-04 DOI：10.7687/J.ISSN1003-8868.2013.04.081
Development of Exoskeleton Robot Study
CHAI Hu1,2, SHI Cai-hong2, WANG He-yan2, ZHANG Kun-liang2, YANG Kang-jian2, ZHAO Run-zhou2, ZHANG Xi-zheng2
(1.School of Biomedical Engineering, Southern medical University, Guangzhou 510515, China; 2. Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Science, Tianjin 300161, China） Abstract The concept and classification of the exoskeleton robot are introduced in brief, along with its progress, prospective and representatives. The personated mechanical structure design, driving system selection, energy sources and control system principle of the exoskeleton robot are discussed, whose advantages, disadvantages and prospective are also explored. [Chinese Medical Equipment Journal，2013，34（4）：81-84] Key words exoskeleton; robot; human-machine cooperation