人体外骨骼发展现状

1 绪论

1.1 研究背景与意义

在急速发展的现代社会，人们通常都会使用轮式交通工具运载沉重物体，但在实际生活中，有许多地方道路凹凸不平，轮式交通工具难以行进，由于人腿能适应较复杂路况的优点，使得行走助力装置应运而生[1]。它是一种可以辅助人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的智能来控制机器人的行走，简化了自主行走式两机器人最为常见的步态规划和步态稳定性问题，同时它又可以提供动力协助人的行走，增强人们行走的能力和速度，缓解人在大负重和长时间行走情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人们的运动范围，故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。在一些交通已经过于拥堵的城市，下肢步行外骨骼还可以作为一种新型的轻型环保交通工具，可以大大减少城市汽车流量，降低市区的堵车情况，减少城市的汽车尾气污染，减缓城市的停车压力，同时使用者还可以达到锻炼身体的目的[2]。

目前，行走助力装置主要应用于两方面：（1）用于负重、长距离行走时进行助力（2）用于老年人或下肢瘫痪者行走时进行助力。行走助力装置的发展借鉴了腿式机器人、仿人机器人的技术和经验，又在结构、控制能力等方面做了深入的研究，经过不断的努力，现已开发出几类行走助力装置，并对相关技术做了深入的探讨，取得了一定的成果。

随着社会的发展和生活水平的提高，人们对医疗水平的期望值也越来越高。而医疗水平的提高自然依仗医疗器械的更新和改善。对于下肢受伤或有关节肌肉病患的病人来说，克服伤病需要借助适当的医疗器械帮助下肢逐渐恢复正常机能。本文所介绍的正是出于此种目的，由多缸并联的气动步行助力器。

1.2 国际上下肢外骨骼的研究现状

1.2.1 德国奥托博克(ottobock)的C-LEG智能仿生腿

德国OTTOBOCK公司的最新产品智能仿生腿（C-LEG）是世界上第一个完全由电脑控制步态的假肢膝关节系统，能使配戴者稳定牢固的控制下肢运动。智能仿生腿有两个电子传感器：一个位于小腿管中，分别测取脚跟踏地和脚前掌的压力，为假肢支撑期的稳定性控制提供信息。一个位于膝关节的支撑框架中，测量膝关节屈度和膝关节摆动速度的变化，为假肢摆动后期的活动性控制提供信息。这两个传感器可将假肢的运动状态以每秒50次的采样频率向电脑提供测定值。微处理器可以瞬间识别使用者的假肢状态。同时，微处理器将所得信号进行加工

处理，通过伺服电机控制膝关节液压系统。整个反馈过程是真正意义因人而宜的调整。完全个性化的分析，服务，为患者提供更多的舒适性，活动性和生活乐趣。

图1.1德国奥托博克(ottobock)的C-LEG智能仿生腿

1.2.2 美国DARPA的EHPA研究项目

美国国防部高级研究项目局（Defense Advanced Research Projects）于2000年出资五千万美元用于资助对能够增强人体机能的外骨骼（Exoskeleton for Human Performance）的研究与开发，准备在近几年研制一种穿戴式的，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，可以肩负400磅（181公斤）的军用设备，连续运行至少4个小时。在战争中，外骨骼可以使士兵作战能力大大增强，同时在士兵受伤后，可以起到一定的保护作用。

DARPA的该项目总共资助了多家研究机构，其中有四家负责设计和研制出整套的外骨骼系统，他们分别为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）公司，其他一些获得资助的研究机构主要负责开发适用于外骨骼的动力供应设备。其中，加州大学伯克利分校的人体工程实验室率先在2004年推出了他们的BLEEX （Berkeley Lower Extremity Exoskeleton）外骨骼系统，如图1.2所示。该系统由两条动力驱动的仿生金属腿、一个动力供应单元和一个用于负重的背包架组成。该系统使用混合动力，即使用液压能驱动双腿行走，同时对随身携带的计算机供应电能。外骨骼上共安装有40多个传感器和液压驱动器，它们共同构成了一个局域网络，该网络向计算机提供必要的信息，计算机根据这些信息了解操作者当前的状态，并据此对人的负载情况实时进行必要的调整。实验表明，操作者身着重达100磅的外骨骼，同时背上10磅的背包在房间里行走，他所感觉到的重量只有5磅。

图1.2美国DARPA的EHPA研究项目

1.2.3 新加坡南洋理工大学的NTU Lower Extremity Exoskeleton

图1.3 新加坡南洋理工大学的NTU Lower Extremity Exoskeleton

目前，新加坡南洋理工大学的罗锦发教授（Low Kin）也在研究和开发一种可以增强人体速度、力量和耐力的下肢外骨骼，目标是使其能够帮助诸如步兵一样的操作者进行大负重、长距离的徒步行走。图1.3左图所示是他们的整个外骨骼系统的概念设计；右图则是他们现阶段己经开发出来的原型系统，该系统主要由两个部分所组成:内侧外骨骼和外侧外骨骼。其中，内侧的外骨骼绑缚在人的

下肢上，利用关节处的编码器来测量行走时的关节角度信号；外侧的外骨骼用来提供助力，根据内侧外骨骼测得的关节角度值通过电机来提供动力。他们的另外一个主要工作在该原型系统上利用零力矩点（ZMP）理论进行了外骨骼行走稳定性方面的研究。

1.2.4 日本筑波(Tsukuba)大学的HAL系列下肢外骨骼

由日本筑波大学的山海嘉之(Yoshiyuki)教授开发的HAL (rid Assistive Limb )系列下肢外骨骼用于协助步态紊乱的病人行走[3]。它采用了角度传感器、肌电信号传感器和地面接触力传感器等传感设备来获得外骨骼作者的状态信息。它的所有的电机驱动器、测量系统、计算机和无线局域网络，以及动力供应设备都整合到背包中。使用装在腰间的电池进行供电。HAL拥有混合控制系统，包括自动控制器进行诸如身体姿态的控制，以及基于生物学反馈和预测前馈的舒适助力控制器。

图1.4日本筑波(Tsukuba)大学的HAL系列下肢外骨骼

图1.4所示为HAL-3，它是山海嘉之教授历时十年研究的成果。HAL-3是套下肢装，专门设计来帮助下肢残障者或是老人们，能更方便地进行日常生活中的许多动作，像是走路、上下楼梯等等。在2005年日本博会上展出了HAL-4和HAL-:S的原型，这些机型不但能帮助使用者走路，还有上半部能辅助使用者的手臂，使用者穿戴上这种装置，就能提起比原本所能负荷还要更重40公斤的东西。同时，更新的HAL-4不需要使用背包，而是将计算机和无线网络装置缩小，以塞进这套装备的腰带里面。在HALS上则有更小的马达空间，好让装备的髋部和膝盖部分体积更小，如图1.2右图所示。在重量_上，HAL-3重22公斤，