发展中的外骨骼机器人及其关键技术

２０１８年１１月第４６卷第２１期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＮｏｖ ２０１８Ｖｏｌ ４６Ｎｏ ２１ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ ２１ ０１５收稿日期：２０１７－０６－２０作者简介：石晓博（１９９１ ），男，硕士研究生，主要研究方向为下肢外骨骼康复机器人步态规划研究㊂Ｅ－ｍａｉｌ：５４７３６３９９２＠ｑｑ ｃｏｍ㊂通信作者：郭士杰，Ｅ－ｍａｉｌ：３０８６８１９８２＠ｑｑ ｃｏｍ㊂发展中的外骨骼机器人及其关键技术石晓博，郭士杰，李军强，赵海文（河北工业大学机械工程学院，天津３００１３０）摘要：外骨骼助力机器人是一种可穿戴的机械装置，应用人机工程学㊁仿生学等相关知识将人的智力和机器人的体力完美地结合在了一起，拥有巨大的发展潜力㊂为了更好地了解外骨骼助力机器人的发展成果及现阶段存在的问题，现将其发展分为蒸汽时代㊁电气时代㊁信息时代三大部分进行介绍，并从机械结构技术㊁驱动技术㊁控制技术㊁人机交互技术以及安全性技术等外骨骼助力机器人关键技术入手，找出现阶段面临的问题，并指明未来的发展方向㊂关键词：外骨骼；关键技术；助力机器人；科技时代中图分类号：ＴＰ２４㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１８）２１－０７０－７ＤｅｖｅｌｏｐｉｎｇＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＲｏｂｏｔｓａｎｄＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＳＨＩＸｉａｏｂｏ，ＧＵＯＳｈｉｊｉｅ，ＬＩＪｕｎｑｉａｎｇ，ＺＨＡＯＨａｉｗｅｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｐｏｗｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓａｋｉｎｄｏｆｗｅａｒａｂｌｅａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔｓ，ａｐｐｌｉｅｄｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ，ｂｉｏｎｉｃｓａｎｄｏｔｈｅｒｒｅｌａｔｅｄｋｎｏｗｌｅｄｇｅｔｏｐｅｒｓｏｎ ｓｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄｒｏｂｏｔｐｈｙｓｉｃａｌｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｔｏｇｅｔｈｅｒ，ｈａｓｈｕｇｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｏｔｅｎｔｉａｌ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｅｔｔｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｔｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｇｅ，ｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｔｅａｍａｇｅ，ｔｈｅａｇｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｇｅｏｆｔｈｒｅｅｍａｉｎｐａｒｔｓ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄｓｔａｒｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｒｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｈｕｍａｎ⁃ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｓｅｃｕｒｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｓｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓｐｏｗｅｒｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｃｏｎｆｒｏｎｔｅｄａｒｅｆｏｕｎｄ，ａｎｄｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ；Ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔ；Ｅｒａｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ０㊀前言外骨骼（Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ）这一名词来源于生物学中昆虫和壳类动物的坚硬外壳，其作用在于支撑㊁运动㊁防护三项功能紧密结合［１］㊂与此对应，外骨骼助力机器人是模仿生物界外骨骼而提出的一种新型机电一体化装置［２］，结合机械结构㊁控制㊁驱动方式㊁人机交互等关键技术，在为穿戴者提供诸如保护㊁协同动作等功能的基础上，还能够在穿戴者的控制下完成人类自身无法完成的任务㊂文中将外骨骼助力机器人的发展分为３个阶段，即蒸汽时代㊁电气时代㊁信息时代㊂通过介绍每个时代外骨骼主力机器人的发展情况，从而指出现阶段存在的问题，然后从外骨骼助力机器人相关关键技术入手，从根本上分析出现问题的原因，并寻求高效的解决方案㊂１㊀外骨骼助力机器人的发展外骨骼助力机器人从出现到发展至今，大概分为３个阶段，即蒸汽时代㊁电气时代㊁信息时代㊂１ １㊀蒸汽时代１９世纪中后期，人类完成了第一次技术革命，开启了以蒸汽机代替人力的时代㊂人类萌生了用蒸汽机驱动人体运动的想法，但由于蒸汽机存在体积过大㊁容易烫伤等缺点，同时受材料匮乏㊁工艺落后的制约，使这一时期的外骨骼仅仅停留在概念设计上㊂如１８３０年英国著名插画师ＲｏｂｅｒｔＳＥＹＭＯＵＲ所绘的‘ＷａｌｋｉｎｇＢｙＳｔｅａｍ“中提到的穿戴在人体上的蒸汽机行走机，如图１所示㊂这一阶段提出的外骨骼由于技术发展的限制没有实际应用的价值，但还是为后来的外骨骼设计拓宽了思路㊂图１㊀蒸汽机行走机１ ２㊀电气时代２０世纪二三十年代人类完成了第二次科技革命，笨重㊁危险的蒸汽机退出历史的舞台，取而代之的是体积小㊁动力足㊁安全性高的电力㊁内燃机㊁液压马达等新动力，人类社会进入电气时代㊂美国科学家抓住契机，设计时参照了先前的概念设计，并总结经验及应用新技术㊂如美国ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃ（ＧＥ）率先设计出了Ｈａｒｄｉｍａｎ全身动力外骨骼，如图２（ａ）所示㊂但受到材料和电子元器件的限制，使得这款以钢为材料㊁用液压驱动㊁采用主从控制的外骨骼套装，因为自身巨大的体积㊁高达６８０ｋｇ的自重以及运行的不稳定而没有实际的使用价值㊂尽管，最终哈迪曼被改造成了一个机械手臂，如图２（ｂ）所示，但由于运动不灵活，操作困难，最终还是黯然落幕㊂人们在这一阶段拉开了外骨骼设计的新篇章，开始了真正意义上的助力外骨骼研究㊂图２㊀Ｈａｒｄｉｍａｎ外骨骼机器人１ ３㊀信息时代２０世纪四五十年代，以计算机为核心的第三次科技革命在美国掀起㊂直到２０世纪七八十年代，在这段时间内由于计算机的发展水平不高，计算能力很低并且体积较大，不能满足外骨骼运动灵活㊁穿戴轻便的要求，并且没有一款质量小㊁硬度高的新材料能够代替传统的钢，以使外骨骼的设计自重大幅度减少㊂所以在此时期，没有关于外骨骼的研究报道㊂到２０世纪末，计算机㊁网络通信技术的应用变得成熟，标志着人类从此进入信息化的社会㊂涌现出了大量的新材料㊁新设备，解决了以往外骨骼自重大㊁运动不灵活等问题㊂适合外骨骼成长的温床终于诞生了，但由于续航能力的限制，此阶段的发展也只限于实验研究的阶段㊂美国再次走在了世界的前列，９０年代末美国加州大学伯克利分校开始了对外骨骼的研究，于２００４年公布了新一代外骨骼样机 ＢＬＥＥＸ，但由于对系统动力学建模要求很高的动力学求逆控制方法的应用，使得ＢＬＥＥＸ的性能并不理想㊂２００７年洛克希德马丁（ＬｏｃｋｈｅｅｄＭａｒｔｉｎ）公司在ＢＬＥＥＸ的基础上，应用新型钛合金材料研究推出了性能更为优越的外骨骼样机ＨｕｍａｎＵｎｉｖｅｒｓａＬｏａｄＣａｒ⁃ｒｉｅｒ（ＨＵＬＣ）㊂ＨＵＬＣ总质量仅为２４ｋｇ，由新型动力源锂电池供能，一次充电可以让穿戴着背负９０ｋｇ重物以４ ８ｋｍ／ｈ的速度行进４５ｍｉｎ，使得外骨骼有了一些实际应用的可能㊂此外，美国从事外骨骼研究的机构还有很多，研究出了各式各样的外骨骼机型㊂如美国佛罗里达州人类机械认知协会制造的外骨骼Ｍｉｎａ，用于帮助残疾人重新获得行走能力；美国ＥＫＳＯ仿生学公司外骨骼ｅＬＥＧＳ；美国范德堡大学外骨骼；美国特拉华大学ＡＬＥＸ外骨骼；美国特拉华大学ＧＢＯ外骨骼；美国ＭＩＴ第二代外骨骼；美国哈佛大学缆绳结构外骨骼，应用绳带的合理布置，在行走过程中提供助力，这是外骨骼设计的一种新手段㊂美国之外，日本也是外骨骼的研究大国，日本对外骨骼的研究主要集中于工业㊁农业㊁医疗行业，研究水平相对较高㊂如日本驻波大学的ＨＡＬ５系列外骨骼，采用先进的设计㊁控制手段㊁小巧精炼的外观㊁灵敏的动作跟随博得了业内人士的青睐；日本ＤａｉｓｕｋｅＳａｓａｋｉ的气动外骨骼，每条腿上在大腿后㊁膝盖㊁小腿后分别捆绑一个气垫，通过对气垫气体压力的控制实现省力的目的，这是一种对新方法的尝试；此外还有，日本名古屋大学（ＮａｇｏｙａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）外骨骼ＷＰＡＬ；日本东京工业大学外骨骼；日本ＡＢＬＥ外骨骼；日本东北大学外骨骼ＷＷＨ－ＫＨ；日本ＪｕｎＭｏｒｉｍｏｔｏ等人研发的ＸＯＲ外骨骼㊂中国改革开放以后，搭乘信息时代的快车，在各行各业取得了举世瞩目的成就㊂至今，有很多的科研机构投身到了外骨骼的研究之中，但研究水平相对较㊃１７㊃第２１期石晓博等：发展中的外骨骼机器人及其关键技术㊀㊀㊀低㊂如中国合肥智能机械研究所外骨骼ＷＰＡＬ，采用电机直接驱动，外形与ＨＡＬ⁃３相近；中国台湾国立清华大学外骨骼样机，应用电控压力阀控制气动肌肉驱动膝关节；华东理工大学外骨骼ＥＬＥＢＯＴ，外形类似于ＢＬＥＥＸ；哈尔滨工业大学机器人实验室外骨骼，共１５个自由度，对踝关节作了结构上的改进，提出了一个新颖的外骨骼样机；浙江大学外骨骼样机，共８个自由度，在髋关节㊁膝关节安装驱动器模仿股值肌和股二头肌的运动；２０１５年在北京国家会议中心举办的首届中国军民技术融合博览会上兵器集团２０２研究所展台展出的外骨骼，采用碳纤维制造而成，具有质量小运动灵活的特点；海军航空工程学院外骨骼ＮＡＥＩＥＳ，在大腿后安装有气弹簧，采用跟随上臂运动的控制方法对膝关节驱动；杭州 尖叫科技 设计的外骨骼㊂此外，随着科技的不断进步，外骨骼的研究成本越来越低，外骨骼巨大的应用前景吸引越来越多的的国家投入其中，据不完全统计，世界上从事外骨骼研究的国家有２０多个，对外骨骼的研究已经形成了百花争艳的局面㊂如以色列ＲＥＷＡＬＫ，首个也是唯一一个获ＦＤＡ批准用于个人用途的外骨骼；新西兰辅助外骨骼ＲＥＸ，与ＲＥＷＡＬＫ㊁ＥＫＳＯ不同，ＲＥＸ不需要手杖平衡；西班牙马德里自动化机器人中心用于四肢麻痹患者的外骨骼ＡＴＬＡＳ；荷兰特温特大学生物医学工程学院外骨骼样机ＬＯＰＥＳ；意大利２０１３年公布的外骨骼ＭＩＮＤＷＡＬＫＥＲ；韩国西江大学ＥＸＰＯＳ外骨骼；意大利ＢｏｄｙＥｘｔｅｎｄｅｒ全身外骨骼；德国慕尼黑理工大学外骨骼ＴＵＰＬＥＥ；泰国亚洲理工学院外骨骼ＡＬＥＸ㊂１ ４㊀实用化挑战自２００５年瑞士苏黎世大学Ｂａｌｇｒｉｓｔ医院外骨骼ＬＯＣＯＭＡＴ成为世界上第一个商业化的康复训练外骨骼后，各国都在着力于将外骨骼从实验室搬到实际应用中的研究工作，世界范围内出现了大批的外骨骼实际应用的案例㊂如中科院深圳先进技术研究所外骨骼；瑞士古纳拉发明的外骨骼 隐形椅 ，可以使员工想坐就坐；２０１４年韩国大宇造船厂测试可以帮助员工搬运重物的外骨骼；韩国现代汽车公司为员工研究的外骨骼套装，辅助员工搬运较重的汽车部件；日本松下公司为避免一线工人搬运重物时受伤设计的外骨骼ＡＷＮ⁃０３；瘫痪少年穿戴由米格尔㊃尼科莱利斯负责的美国杜克大学 再次行走 计划研制的意念控制外骨骼为２０１４巴西世界杯开出第一球㊂１ ５㊀问题总结及分析方法从目前国内外学者研究的外骨骼助力机器人来看，存在如下问题：（１）所采用的机构以开链机构为主，这类机构构型简单，容易与人体下肢机构匹配和控制；但这类机构若无外驱动配合，其承载能力受限㊂（２）采用外接电源或电池提供能源并采用电机驱动方式，这种外驱动方式增加了外骨骼机械系统的复杂程度，存在行动不便㊁续航时间短等问题，从而无法长时间㊁远距离辅助人体活动㊂（３）外驱动电机对外骨骼控制和人脑对下肢控制会存在不同步或滞后问题，这个技术瓶颈束缚了辅助负重外骨骼的推广和应用㊂为了解决目前存在的问题，可以从外骨骼助力机器人相关关键技术入手，通过对关键技术的研究与分析，了解这些问题的本质，从而找到合适的解决方法㊂２　关键技术现状外骨骼助力机器人的发展和相关关键技术的发展密不可分，机械结构技术㊁驱动技术㊁控制技术㊁人机交互以及安全性等技术的不断改进，推动了外骨骼助力机器人的变革㊂２ １㊀机械结构技术机械结构采用仿生学设计，首先要对人体的运动机制进行分析，在此基础上完成自由度的选择，运动自由度的分配，关节机构的设计等工作㊂目的是最大程度模拟人体的运动功能，能够与人体相匹配㊂由于每个人的身高体重都不同，所以要求外骨骼助力机器人的尺寸在一定程度内是可调的㊂机械结构的设计必须满足轻巧且坚硬㊁舒适且稳定㊁方便且安全的特点㊂外骨骼助力机器人既要质量小，减少人体穿戴后所需承受的负担，又必须达到对人体的支撑要求㊂为满足舒适要求，应当充分研究人体仿生学，按照拟人化原则，对自由度的选择㊁结构尺寸大小㊁关节的构造和运动㊁人机缓冲接触装置的设计等综合考虑㊂为满足稳定性要求，需对外骨骼助力机器人进行步态规划与步行控制㊂常用的步态规划方法有基于人体的自然步态规划法㊁基于模型与几何的步态规划法㊁基于机器学习的步态规划法［３］㊂常用的步行控制方法有基于ＺＭＰ控制㊁基于摆动腿控制和基于上身姿态控制㊂方便且安全要求外骨骼助力机器人的设计尺寸尽可能小，便于在任何环境中携带，并且每个自由度都需要设计可调节的机械限位，以保证人机交互过程中穿戴者的安全㊂机械结构设计是整个外骨骼助力机器人设计中最重要的环节，机械结构设计的优与劣直接影响外骨骼助力机器人各系统功能实现程度㊂㊃２７㊃机床与液压第４６卷２ ２㊀驱动技术外骨骼助力机器人的驱动系统应当满足轻巧㊁尺寸小等特点，并且能够提供符合要求的输出力矩或扭矩，同时要具有高的效率㊂为此，目前国内外应用在外骨骼助力机器人上的驱动方式主要有液压驱动㊁电动机驱动㊁气压驱动以及人工肌肉驱动等，下面将分别对这几种驱动方式进行介绍㊂２ ２ １㊀外骨骼助力机器人液压驱动液压驱动［４］是以流体（液压油）为工作介质进行能量传递的一种传动方式，包括液体介质㊁能源装置㊁执行装置㊁控制调节装置㊁辅助装置等５个部分㊂液压驱动的主要优点有：质量轻，结构紧凑，工作稳定，便于实现小型化，并且具有缓冲功能㊂正是基于以上优点，液压驱动得到快速发展，目前已被应用在国内外很多成熟外骨骼助力机器人上㊂例如美国加州大学伯克利分校于２００４年公布了新一代外骨骼样机 ＢＬＥＥＸ［５］，如图３（ａ）所示，由双腿和背包架构成［６］㊂应用仿生学的设计手段，ＢＬＥＥＸ［７］共有１４个自由度，采用线性液压驱动，体积小，人机匹配度高，实现了负载３４ｋｇ，速度１ ３ｍ／ｓ行走的能力㊂雷神公司推出的第二代ＸＯＳ２［８］外骨骼，如图３（ｂ）所示㊂根据雷神公司公布的消息，ＸＯＳ２外骨骼把传感器㊁驱动器㊁控制器等先进设备集成到结构设计中，采用液压驱动，较ＸＯＳ１［９］能量消耗降低了一半，对环境的适应能力更强㊂让穿戴者可以轻松地举起９０ ７ｋｇ的重物，动作灵活到可以踢足球的程度㊂允许士兵完成更多的任务，携带更多的装备㊂而且ＸＯＳ２外骨骼穿脱方便，可以说是真正意义上的 钢铁侠 ㊂图３㊀ＢＬＥＥＸ与ＸＯＳ２外骨骼机器人但是，外骨骼助力机器人液压驱动方式同时也有一些不足，比如工作噪声比较大，能源使用效率低，受压液体容易发生泄漏等㊂这就需要在设计时要最大程度利用其优点，同时尽可能地减少那些不足对整体设计的影响㊂２ ２ ２㊀外骨骼助力机器人电动机驱动电动机驱动是利用电力设备并调节电参数来传递动力并进行控制的一种方式［１０］㊂外骨骼助力机器人电动机驱动技术目前已相当成熟，其具有控制精度高㊁工作噪声小，结构简单㊁易于安装且信号传递迅速等特点㊂因此，以电动机驱动技术设计的外骨骼助力机器人在国内外有很多㊂例如日本筑波大学于２００２年研发的下肢外骨骼机器人ＨＡＬ［１１－１４］，利用电动机对相应关节如髓关节㊁膝关节等进行驱动㊂经过多年的发展，ＨＡＬ已经形成系列产品，其五代产品ＨＡＬ⁃５，如图４所示㊂ＨＡＬ⁃５的总质量约为１５ｋｇ，但是它的整个系统的承重能力可以达到７０ｋｇ㊂ＨＡＬ⁃５采用了更小的马达，使各关节尺寸变小，结构紧凑，运动更加灵活㊂还有哈工大所研制的下肢外骨骼助力机器人［１５］，中科院常州先进制造研究所在２０１４年研制的外骨骼机器人ＥＸＯＰ⁃１，以上两种均采用的都是电动机驱动方式㊂图４㊀ＨＡＬ⁃５外骨骼机器人２ ２ ３㊀外骨骼助力机器人气压驱动气压驱动方式是以压缩气体作为工作介质，原理与液压驱动相似㊂例如２００４年，日本神奈川理工大学研制了一种用于医疗辅助的外骨骼助力机器人ＰＡＳ㊂该外骨骼助力机器人采用气压驱动，在各个关节如肘关节㊁肩关节㊁腰部和膝关节都安装了微型气泵供气，使用电池提供能量㊂医护人员通过使用ＰＡＳ，力量得到大幅度提升，从而能够更好地为病人服务［１６－１７］㊂气压驱动具有可靠性高㊁反应速度快㊁过载和抗冲击能力强等特点㊂但由于空气具有压缩性，致使气动装置控制性差，不适用于大功率系统进行传动㊂２ ２ ４㊀外骨骼助力机器人人工肌肉驱动人工肌肉［１８］的驱动方式充分利用了拟人化的设㊃３７㊃第２１期石晓博等：发展中的外骨骼机器人及其关键技术㊀㊀㊀计思想，外骨骼机器人的每个转动关节均由人工肌肉驱动㊂外骨骼助力机器人的运动依靠人工肌肉带动关节转动从而实现㊂人工肌肉分为气动人工肌肉和新型人工肌肉㊂目前，人工肌肉驱动技术还不是很成熟，使用人工肌肉驱动技术的外骨骼助力机器人较少㊂如日本东京理工大学小林实验室基于气动肌肉，研究出了没有金属框架的外骨骼系统ＭｕｓｃｌｅＳｕｉｔ［１９］㊂英国索尔福德大学基于气动肌肉分别研制了上肢外骨骼助为系统和下肢外骨骼助为系统［２０］㊂哈尔滨工程大学研制了气动肌肉驱动步态康复训练外骨骼助为系统［２１］㊂２ ３㊀控制技术外骨骼助力机器人为满足不同的控制目标，需要用到不同的控制方法㊂选择合适的控制方法对外骨骼助力机器人完成指定任务，起到至关重要的作用㊂常用的控制方法有操作者控制㊁肌电控制㊁预编程控制㊁主从控制㊁直接力反馈控制㊁地面反作用力控制㊁灵敏度放大控制㊁基于模型控制等㊂２ ３ １㊀操作者控制操作者控制是指使用者通过健康肢体对外骨骼机器人进行控制，从而使外骨骼机器人运行㊂例如ＹＡＮＯ等［２２］设计的外骨骼装置，由操作者控制，通过开关和地面反作用力传感器，驱动髋关节运动，以此来改变脚底距离地面高度㊂这种方法有明显的缺点，控制手需要不停地发布命令，因而操作者进行其他活动，且耗费体力㊂２ ３ ２㊀肌电控制人在进行运动时，皮肤表面会产生微弱的生物电信号，这个电信号超前于肢体反应㊂正是基于这种超前，使控制器有充分的时间对信号进行处理，所以用于外骨骼助力机器人控制时，具有预测的功能㊂目前应用肌电控制方法最成功的是日本ＨＡＬ系列外骨骼助力机器人，ＨＡＬ利用肌电信号辨识人的运动意图并进行预测，结合阻抗控制方法，操作者在使用ＨＡＬ时感觉十分舒适㊂肌电控制方法也存在不足之处，如基于肌电信号的控制器均为个性化设备，无法广泛使用以及人体汗液会影响测量结果等㊂２ ３ ３㊀预编程控制预编程控制指外骨骼助力机器人按照预先编好的程序运行，如ＭＩＹＡＭＯＴＯ等［２３］的下肢运动矫正装置，ＲＵＴＨＥＮＢＥＲＧ等［２４］的有源步态矫正装置，ＶＵＫＯＢＲＡＴＯＶＩＣ等［２５］的康复装置，ＣＯＬＯＭＢＯ等［２６］的步态矫正器等，均使用预编程控制方法进行操作㊂２ ３ ４㊀主从控制主从控制基于模拟实现，即操作者穿戴主外骨骼，通过反馈，使目标装置关节角度跟随人体关节角度变化㊂如Ｈａｒｄｉｍａｎ采用的就是主从控制方法，用于提升人体的运动能力及负重能力㊂Ｈａｒｄｉｍａｎ具有３０个自由度，内部为主动外骨骼装置，由操作者控制，为外部从动外骨骼装置提供命令从而控制其运行［２６］㊂２ ３ ５㊀直接力反馈控制直接力反馈控制通过力传感器反馈信息，使外骨骼助力机器人与周围环境之间的力保持或达到一定水平㊂为保证力传感器反馈信息全面且准确，要求力传感器数量要多于外骨骼助力机器人总自由度数，且安装位置要科学合理㊂２ ３ ６㊀地面反作用力控制地面反作用力控制（ＧＲＦ）实质上是一种依赖于与环境交互的控制策略，反映的也是人体直接的运动意图［２７］㊂这种方法的提出基于人在运动中受到的地面反作用力，是除重力外，推动人体动作的唯一外部力，且外骨骼助力机器人形状与质量分布与人体十分相似㊂２ ３ ７㊀灵敏度放大控制灵敏度放大控制通过定义灵敏度函数，基于数学模型的建立使得灵敏度函数最大化，操作者便可以用很小的力控制外骨骼助力机器人动作㊂如美国伯克利大学ＨＫＡＺＥＲＯＯＮＩ等［２８］，便是利用灵敏度放大控制方法操作ＢＬＥＥＸ㊂２ ３ ８㊀基于模型控制基于模型控制指以人机模型计算为基础，考虑模型重力补偿㊁零力矩点控制（ＺＭＰ）以及平衡支撑点（Ｃｏｐ）准则等，从而控制外骨骼助力机器人动作㊂基于模型的控制有基于状态机控制㊁ＺＭＰ控制和Ｃｏｐ控制［２９］㊂３　外骨骼助力机器人未来发展趋势外骨骼助力机器人的工作方式与一般工业机器人不同，需要穿戴在操作者身上共同完成目标任务㊂因此，安全性与舒适性的保障是未来发展的必然要求，其中人机融合技术的实现与改进又是未来发展的重中之重㊂３ １㊀关键零部件研究外骨骼助力机器人零部件设计与使用应当坚持以人为主的原则，并对主要关节结构进行分析与优化，以满足安全性与舒适性的要求㊂同时应当遵循轻量化原则，选择质量小的零部件，减轻外骨骼助力机器人整体质量，从而减少人体所承受的负担㊂对关键零部件如腰部支撑杆件㊁髋关节连杆和膝关节连杆等进行可靠性分析，如利用有限元软件对这些关键零部件应力㊁应变㊁位移和疲劳等进行分析，㊃４７㊃机床与液压第４６卷确保符合设计要求，以保证操作者在使用外骨骼助力机器人时安全㊁舒适㊂３ ２㊀人机融合系统控制外骨骼助力机器人是机器人与操作者相耦合的机电一体化系统，因此，对人机融合系统控制的研究如人机交互，基于意图识别的交互控制方法㊁力学建模等至关重要㊂３ ２ １㊀人机交互随着科技的不断发展，人们发现机器人不只是复杂工作任务的执行者，还可以成为交流对象㊂越来越多的研究者希望人类自身行为传递的不同信息能够被机器人所理解，并且能够快速生成适合的应对方案，因此，人机交互技术应运而生㊂人机交互技术（Ｈｕｍａｎ－ＣｏｍｐｕｔｅｒＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ＨＣＩ）是指通过计算机输入㊁输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术［３０］㊂人机交互来源于参考人与人之间的交流行为，双方是平等的，所以在机器人满足人的同时，人也应当适应机器人的动作㊂同时为满足外骨骼助力机器人与操作者协调运动的要求，人机交互技术需要实现高效且自然，因此，多途径人机交互方式得到了快速发展，即多种交互方式同时进行㊂３ ２ ２㊀基于意图识别的交互控制方法人机交互过程中，基于主动运动意图，选择合适的交互控制方法，对外骨骼助力机器人与操作者协调运动的实现至关重要㊂根据获得主动运动意图时使用信号的不同，交互控制方法分为两类：（１）基于力信号的交互控制方法；（２）基于生物医学信号的交互控制方法㊂下面对这两类方法进行介绍㊂（１）基于力信号的交互控制方法基于力信号的交互控制方法中，力信号具体是指操作者肢体与机械结构之间的相互作用力，即交互力㊂交互力可以使用力传感器直接测量得出，也可以通过建立动力学模型进行计算得出㊂因此，这种控制方法具有较高的准确性，且控制系统稳定㊁可靠㊂常用的基于力信号交互控制方法有力位混合控制和阻抗控制㊂力位混合控制方法就是将外骨骼助力机器人执行任务分为两项，即位置任务和力任务㊂在外骨骼助力机器人运行过程中，完成位置和力的跟踪控制㊂阻抗控制方法的应用目的是使外骨骼助力机器人主动柔顺，避免操作者与机械结构过度对抗，从而使操作者在舒适㊁安全的环境中完成对外骨骼助力机器人的使用㊂（２）基于生物医学信号的交互控制方法目前，脑电信号和表面肌电信号是基于生物医学信号的交互控制方法中两种最常用的信号㊂脑电信号是通过贴合在头皮上的电极采集到的脑部的电活动，它表示的是由于大脑内部神经元之间的离子流动造成的电压波动㊂脑电信号由于不受操作者肢体是否残疾这一方面的影响，拥有巨大的发展潜力㊂表面肌电信号的获取相对于力信号更为简捷，并且不需要复杂的机械结构设计㊂但是表面肌电信号具有很大的随机性，同时还需要使用有效的滤波方式去除杂音的干扰㊂３ ３㊀刚柔耦合系统动力学建模外骨骼助力机器人为了具有更好地减震和缓冲功能，同时也为了更好地与操作者协同动作，达到安全性与舒适性要求，从而加入了许多柔性部件，如弹性阻尼部件等㊂这些柔性部件与整体刚性部件组成了耦合机构，操作者与外骨骼助力机器人形成了一个相互作用的闭环控制系统㊂因此，为了外骨骼助力机器人进一步的发展，针对外骨骼刚柔耦合系统的动力学建模的研究至关重要㊂刚柔耦合系统动力学建模的常用方法有牛顿－欧拉方程㊁凯恩方程㊁哈密尔顿原理以及第二类拉格朗日方程㊂牛顿－欧拉方程是建立在牛顿第二定律基础之上的，通过动量和动量矩来描述动力学性能㊂凯恩方程［３１］是基于达朗贝尔原理，在动力学普遍方程的基础上引入了偏角速度㊁偏速度和广义速度的概念进而推导出动力学方程㊂第二类拉格朗日方程通过求取整个系统的动能和势能，然后构建拉格朗日函数并求取偏导数，从而得到系统的动力学方程㊂哈密尔顿原理［３２］是从能量守恒的角度出发建立刚柔耦合系统动力学方程，再使用变分方法得到能量的泛函形式，设置初始条件，求取驻值，推导出动力学方程㊂４　结束语将外骨骼助力机器人的发展历史分为３个阶段，即蒸汽时代㊁电气时代㊁信息时代，从科技水平入手，说明了每个阶段外骨骼助力机器人的发展情况与特点，并总结出了现阶段存在的问题㊂为了解决目前存在的问题，本文作者对外骨骼助力机器人关键技术如机械结构技术㊁驱动技术㊁控制技术㊁人机交互技术以及安全性技术等进行了详细的介绍，指出了每一种技术存在的不足及未来发展趋势㊂从根本上出发，找出问题出现的源头，从而设计出适合且高效的解决方案㊂外骨骼助力机器人发展至今，已取得了重大的成就，由于其可穿戴这一独特优势，现已被广泛的应用在医疗㊁军事㊁工业等领域㊂相信随着科技的不断进步，外骨骼助力机器人将会变得越来越人性化与智能㊃５７㊃第２１期石晓博等：发展中的外骨骼机器人及其关键技术㊀㊀㊀。