外骨骼机器人研究发展综

外骨骼机器人研究发展综述

李罗川

摘要

外骨骼机器人又称可穿戴机器人，是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的机器人。外骨骼机器人融合了传感、控制、驱动、信息融合、移动计算等综合技术为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构。本文介绍了外骨骼机器人的发展历史以及国内外研究现状，对外骨骼机器人的关键技术：机械结构设计，驱动单元，控制策略进行了研究，分析了其技术难点最后对其发展前景进行了说明。

关键词：外骨骼机器人关键技术

目录

引言 (4)

1.发展历史及现状 (5)

1.1国外发展历史现状 (5)

1.2国内发展历史现状 (9)

2.关键技术分析 (11)

2.1外骨骼机器人的结构设计 (11)

2.2外骨骼机器人驱动单元 (12)

2.3外骨骼机器人的控制策略 (13)

3.外骨骼机器人技术难点分析 (16)

4.前景展望 (18)

4.1 外骨骼机器人的研究方向 (18)

4.2外骨骼机器人技术的应用 (18)

引言

现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运沉重的负载等。虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力。与此同时，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完成的任务不受人的智能的约束，而仅受人的体能的限制。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是外骨骼机器人的设计思想。外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、控制、驱动、信息融合等机器人技术，使得外骨骼能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。本文通过介绍外骨骼机器人的发展历史及研究现状进一步分析了外骨骼机器人的关键技术，并对其技术难点以及发展前景作了说明，以期在全面认识外骨骼机器人基础上对其开展进一步深入研究。

1.发展历史及现状

1.1国外发展历史现状

外骨骼系统的最早研究始于20世纪60年代。1962年，美国空军就要

求康奈尔航空实验室进行一项采用主从控制方式的人力放大器系统的可行

性研究。从1960年到1971年，美国通用电器公司开始研发一种基于主从

控制的外骨骼原型机，名字叫做“Hardiman”，如图1所示。

Hardiman采用电机驱动方式，可以像举起10磅那样来举起250磅的重物。但是，由于技术的限制，导致Hardiman的体积和重量过大，无法进行实际应用，慢慢停止了发展。同时期进行外骨骼研究的还有贝尔格莱德大学的Vukobratovic 等人，他们的研究主要用于辅助下肢瘫痪患者进行运动康复。尽管只实现了部分运动形式，但是研究过程中得到的平衡算法在双足步行机器人中得到了广泛应用。

随后尽管人体外骨骼机器人经历过一段时间的沉寂，但到20世纪末，由于

传感技术、材料技术和控制技术等技术的发展和各种军事、民用需求的凸显使得人体外骨骼机器人再次进入了蓬勃发展阶段，美国、日本和俄罗斯等国均针对人体外骨骼机器人开展了大量的研究工作。

2000年，美国国防高级研究计划局 (DARPA)在出资五千万美元用于资助对能够增强人体机能的外骨骼(EHPA )的研究与开发， 研制一种穿戴式的， 具有自适应能力的外骨骼系统，使士兵在穿着外骨骼后，行军能力大大提高。DARPA 的该项目资助了多家研究机构，主要有加利福尼亚大学伯克利分校机器人和人体工程实验室、Oak Ridge 国家实验室、盐湖城人体机能研究所、“千年喷气机”公司、SARCOS 公司等。其中伯克利分校、SARCOS 公司和麻省理工学院展示了实验样机，其他单位则在传感驱动人机界面生物力学人因测试等方面进行了分析与实验。

2 0 0 4年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼机器人BLEEX 是DARPA 项目的

第一台带移动电源和能够负重的下肢外骨骼机器人。如图2所示

BLEEX 由一个用于负重的背包式外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动图2 伯克利的BLEEX

力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源，以全面增强人体机能。BLEEX 的每条腿具有7个自由度(髋关节3个，膝关节1个，踝关节3个)，在该装置中总共有40多个传感器以及液压驱动器，它们组成了一个类似人类神经系统的局域网。BLEEX的负重量能达到75kg，并以0.9m / s的速度行走，在没有负重的情况下，能以1.3m / s的速度行走。然而BLEEX由于结构复杂能量消耗大操作者长时间使用很不舒服因此未获得ＤＡＲＰＡ第二阶段的资助。BLEEX虽然未获得进一步的资助但是Kazerooni教授和他的学生成立了伯克利仿生公司争取吸引风险投资并对骨骼服技术进行市场化运作设计开发了更加轻便简洁实用的HULC（human universal load carrier）如图３所示：

图3 洛克希德马丁公司的HULC

HULC被著名的武器承包商洛克希德－马丁公司收购。HULC质量为24kg（不含电池）两块电池质量为3.6kg。士兵穿戴上HULC之后能够额外负重91kg，是BLEEX系统负重能力的3倍。电池可供以５km/h的速度连续行走3h。速度峰值可达到16km/h。可以说HULC是最接近实战应用的一款骨骼服。目前正在进行进一步的集成开发同时进行部队的演示验证实验。

雷神公司在收购了参与EHPA项目的SARCOS公司后，也推出了其研制的第一代全身型人体外骨骼机器人XOS。XOS能够在背负68 kg且手持23kg的负荷时以1.6 m /s的速度行进，并可实现弯腰下蹲和跪地等动作。2010年第二代XOS

机器人问世，如图4所示。

第二代XOS人体外骨骼机器人的能耗较第一代降低了一半，而且较第一代具有更强的负重能力，系统的灵敏度和响应速度进一步提升。但其缺陷在于能量消耗依旧较大，至今仍依赖地面供电。

总之美国的骨骼服以军事应用为背景资助力度大资助范围广对骨骼服各个方面的研究最为深入呈现百花齐放的状态，研究水平居世界前列。

日本是当仁不让的机器人技术强国，但是骨骼服的军事意义相当明显，因此日本主要从骨骼服的民事应用入手在助残护理劳动等应用领域对骨骼服展开了广泛的研究，成绩显著。日本筑波大学于2004年推出了世界上第一款商业人体

图4雷神公司的XOS-2