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＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ

Ｎｏｖ ２０１８

Ｖｏｌ ４６Ｎｏ ２１

ＤＯＩ：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＠

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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）２１－０７０－７

ＤｅｖｅｌｏｐｉｎｇＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＲｏｂｏｔｓａｎｄＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ

ＳＨＩＸｉａｏｂｏ，ＧＵＯＳｈｉｊｉｅ，ＬＩＪｕｎｑｉａｎｇ，ＺＨＡＯＨａｉｗｅｎ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｐｏｗｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓａｋｉｎｄｏｆｗｅａｒａｂｌｅａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔｓ，ａｐｐｌｉｅｄｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ，ｂｉｏｎｉｃｓａｎｄｏｔｈｅｒｒｅｌａｔｅｄ

ｋｎｏｗｌｅｄｇｅｔｏｐｅｒｓｏｎ ｓｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄｒｏｂｏｔｐｈｙｓｉｃａｌｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｔｏｇｅｔｈｅｒ，ｈａｓｈｕｇｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｏｔｅｎｔｉａｌ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｅｔｔｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｔｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｇｅ，ｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｔｅａｍ

ａｇｅ，ｔｈｅａｇｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｇｅｏｆｔｈｒｅｅｍａｉｎｐａｒｔｓ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄｓｔａｒｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，

ｄｒｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｈｕｍａｎ⁃ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｓｅｃｕｒｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｓｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓｐｏｗｅｒｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｃｏｎｆｒｏｎｔｅｄａｒｅｆｏｕｎｄ，ａｎｄｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ；Ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔ；Ｅｒａｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

０㊀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㊂

１㊀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㊂

１ 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

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