外骨骼机器人研究综述

外骨骼机器人研究综述

摘要

外骨骼机器人(Exoskeleton Robot)实质上是一种可穿戴机器人，即穿戴在操作者身体外部的一种机械机构，同时又融合了传感、控制、信息耦合、移动计算等机器人技术,在为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能的基础上，还能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。本文简要介绍外骨骼机器人的研究现状以及发展趋势。

需求分析

随着社会的发展，老龄化加重，已超过人口总数的10%。老年人普遍存在体力不支，行动不便，力量、耐力不足等情况，研发一种可穿戴舒适的外骨骼机器人，助老年人行走、上下楼梯、适当负重等十分必要，同时，可穿戴式外骨骼机器人也适用于残疾人或身体机能薄弱者，这将会大大减少照顾老弱病残者的人力资源，减轻社会与家庭的压力，具有社会与经济价值。

传统的交通工具是远行与负重的主要方式，但存在对路面要求高，不适应于军事、消防营救等领域，士兵与消防人员需长距离行走、背负重物、野外作业等，这些特殊活动交通工具都没法完成，且对运动者的身体素质要求非常高。研制一种可穿戴外骨骼机构，可以提供充足的能量和耐力来增强长时间行走和负重等能力，从而完成一些特殊任务。

可穿戴式外骨骼机器人由于自身的商用与军事应用价值，已经成为近年来国内外学者的一个重点研究方向。理想外骨骼机器人有能够在操作者需要的时候及时提供帮助但永远不妨碍其行动的自动化机器人装置替代他的手足，能承受货物背负任务且与人体完全结合，准确预判佩戴者的意图，具有防护并增强操作者负重和运动能力的作用。理想外骨骼机器人的研制困难可想而知。

研究现状

早期人类为减少人员伤亡所制作的盔甲其实已经属于外骨骼的雏形，提高了士兵的个人防护能力，但其存在自重与被动阻力，极大消耗了使用者的体力。

1960年，通用电气公司研制一种名为“哈曼迪1”的可佩戴单兵装备，采用液压驱动。该公司第一个提出并开展增强人体机能的主动助力型外骨骼机器研究。其外骨骼体积巨大且笨重，安全性能低，也只能取代单只手功能。

1978年，麻省理工学院研究了“增强人体机能的外骨骼”，负重问题有所改善，其驱动能源与便携式问题尚未解决，没有完整的成果。

1991年，日本神纳川理工学院开发了一套独立的可穿助力外套（如图1所示），使用肌肉压力传感器，分析佩戴者的运动情况，通过微型气泵、便携式镍镉电池及嵌入式微处理器，提供足够的助力。该开发产品是专为护士研制，可使人的力量增加0.5~1倍。

图1 “动力辅助服”

从2000年开始，美国开始从事“增强人体机能的外骨骼”项目的研究，美国政府出资数百万美元研制新一代基于外骨骼的单兵作战装置，要求外骨骼系统具有的功能有：自身具有能源供应装置；提供保护功能；集成大量作战武器系统和现代化通讯系统，传感器系统以及生命维持系统。同时，外骨骼装备能承受高达吨级的重量；可不知疲劳的长距离行走，长时间高速运动；外骨骼有足够的强度，“刀枪不入”；甚至将飞行能力也集成到外骨骼装备上。根据研究计划要求，从事研究的单位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。

“千年喷气机”公司研制的SoloTrekXFV外骨骼飞行器也属于“外骨骼人体机能增强器”单兵装备系统的一个部分，它能使未来士兵真正做到健步如飞。

伯克利分校机器人和人体工程实验室负责的美军“伯克利下肢末端外骨骼”(Berkeley LowerExtremityExoskeleton，BLEEX)项目已经成熟，这个装置由背包式外架、金属腿及相应动力设备组成，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，能保证士兵在平面或斜面上行走，但该研究只到士兵腰部附近，负载挂在腰际附近的支架上，最大负载可达45kg，电源可持续20小时，在最大负载情况下，使用者的氧气消耗量比自身负担同样质量要少15%，伯克利分校批准的第二代Bleex在零部件轻型化方面很有成效，所有电子线路和许多机械部件都容纳在金属管内，但发电装置影响到行走姿态。

美国Sarcos公司研制的一种可佩戴的、能量自动化机器人到2005年时脱颖而出，其外骨骼机器人XOS显著成功，其解决了全身式外骨骼控制，快速反应及流畅动作，可以使使用者轻松连续举起和放下90kg的杠铃，暂未考虑能量问题，其主要的控制原理是：XOS在精心挑选的位置设置力传感器，但穿戴者移动肢体想要的摸一个动作时，凡是受力的传感器立即通知中控电脑，然后通过电脑的高速计算外骨骼应该采取何种动作来帮助使用者，根据计算记过，电脑指示恰当位置的液压元件移动活塞，完成动作，其中液压元件有30个。缺陷在于能耗大，自带的电池只能使用40分钟。目前正在进一步解决能耗问题，譬如应用新开发的液压元件代替传统的液压元件来降低能耗或者研制人造肌肉纤维取代液压元件进一步降低能耗，同时也简化结构。目前第二代的XOS2比之前的能耗量降低了50%，其加强型设计使使用者更快适应周围环境。

美国sacros公司推出的XOS全身装备30个液压元件，每秒必须侦测受力状况数百到数千次不等，并传输到中枢电脑，中枢电脑迅速完成运算后立即下达指令到相关的液压元件来完成动作

图2 XOS外骨骼机器人

防务巨头洛克希德·马丁公司已经从美国陆军手中接过一份价值110万美元的合同，测试新一代“人类负重外骨骼”（HULC）系统。该系统是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼，内部配备有液压传动装置和可像关节一样弯曲的结构设计，不但能够直立行进，还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作。HULC系统的动力源为两块总重量3.6公斤的锂聚合物电池。在一次充满电后，HULC可保证穿着者以4.8公里/小时的速度背负90公斤重物持续行进一个小时。而穿着外骨骼的奔跑冲刺速度可达到16公里/小时。新式的外骨骼系统装备有更加先进的软件、更耐用的电池，并采用适用度更广的设计。这种外骨骼系统可配备不同型号的装甲钢板、制冷/加热系统和传感器。虽然性能先进，但HULC系统的控制并不复杂，无需通过操纵杆或其他机械装置进行控制，先进的便携式微型计算机可以让这种外骨骼与士兵们的运动保持协调一致，就像是一台随身携带的智能化“人体起重机”。

图3 HULC系统