下肢外骨骼机器人研究进展
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现阶段全世界下肢外骨骼机器人产品多种多样,处于实
验室研究阶段的下肢外骨骼机器人样机更是种类繁多：下 面按照关节驱动方式、控制方法、功能用途对下肢外骨骼机 器人进行分类阐述：
1关节驱动方式 下肢外骨骼机器人的关节驱动方式主要有气压驱动、液
压驱动、电机驱动、串联弹性驱动器驱动a -基于关节驱动方 式的下肢外骨骼机器人及其分类如表1所示:
发达国家中康复医疗团队较多，其下肢外骨骼机器人研 究起步较早，且已经逐步实现产业化，已经从单纯的实验室 样机研究发展到市场化产品阶段，如ReWalk, Indego、Ekso、 HAL等.而我国区域结构不均衡.整个康复医疗器械行业均 相对落后,且下肢外骨骼机器人的研究大量涉及新材料的研 究和应用，以及高精度加工件的使用，在这两方面国内与国 外均有一定的差距,因此目前国内研究大多处于实验室研究 阶段或者处于上市前的临床测试阶段且未正式面向消费者 销售,如中科院深圳研究院样机、电子科技大学样机.Fouri er XI和大艾机器人.面向消费者销售的高端下肢外骨骼机 器人均是国外的且价格昂贵，严重制约了我国截瘫患者、偏 瘫患者和老年人的生存质量的提高' 因此，对国内外下肢外 骨骼机器人研究进行总结分类，找出其共性问题，可为下肢 外骨骼机器人的后续研究提供重要参考：
2控制方法 下肢外骨骼机器人的控Βιβλιοθήκη Baidu方法主要分为:灵敏度放大控
制、预定义步态轨迹控制、基于模型的控制、基于自适应振荡 器的控制、模糊控制、基于脑电一肌电信号控制和混合控
DOI: 10.3969/j.issn. 1001-1242.2019.04.025 *基金项目：国家自然科学基金项目(61473193);上海市工程技术研究中心建设专项(15DZ2251700) 1上海理工大学医疗器械与食品学院/康复工程与技术研究所，上海,200093; 2上海健康医学院；3上海康复器械工程技术研究中心; 4民政部神经功能信息与康复工程重点实验室；5通讯作者 作者简介:魏小东，男.硕士研究生；收稿日期:2017-10-30
外骨骼机器人的运动患者主动机器随动模式下患者与外 骨骼之间维持一定的相互作用力，此时外骨骼与患者的运动 数据相同，利用安装在下肢外骨骼机器人上的传感器所读出 的数据，可对患者进行康复评价 灵敏度放大控制方法多用 于增加人负重能力的下肢外骨骼机器人，然而此方法须具有 一个髙精度的逆动力学模型，且会放大干扰力，使系统难以 稳定 美国加州大学伯克利分校利用此控制方法来控制下 肢外骨骼机器人BLEEX为士兵提供助力,士兵穿戴此外骨 骼背负34kg重物可以以平均1.3m/s的速度进行行走
驱动类型 气压驱动
液压驱动 电机驱动 串联弹性驱动器
表1下肢外骨骼机器人的驱动方式
典型产品
实验室阶段或样机
Nures Robot Suit .Power assist wear by D. Sasaki凶
下肢外骨骼机器人研究进展
申邨用贸辰匚彳志2019年.第34卷.第4期
.综述.
魏小东®4孟青云
喻洪流® 曹武警小胡冰山山
下肢运动能力损伤或缺失会带来肌肉萎缩、骨质疏松、 压疮等严重的健康问题叫研究表明长期卧床会导致基础心 率增加.心脏对定量负荷反应变差,触发血栓形成3因此. 如何最大程度地恢复患者的运动功能是临床康复治疗迫切 而又重要的内容。由于大脑具有可塑造性，准确、及时的重 复康复训练能够促进神经组织功能代偿或者重组,弥补受到 损伤的神经细胞所缺失的功能,从而提高患者的运动控制能 力,促进各个关节肌群的协调运动，最终恢复步行功能;
WWW. rehabi. com.cn 491
Chinese Journal of Rehabilitdlion Medicine. Apr. 2019. \()1. 34. No.4
制z不同控制方法的下肢外骨骼机器人及其分类见表2
2.1灵敏度放大控制
灵敏度放大控制方法(sensitivity amplification control, SAC)又称为虚拟力矩控制方法，该方法不需要在人机之间 安置传感器,可同时控制外骨骼机器人跟随患者运动刚 该 方法是将患者作用到外骨骼上的力与外骨骼输出的传递函 数定义为灵敏度函数，传统方法是将灵敏函数最小化•以增 加系统抵抗外界干扰的能力,而此处的控制冃标却是设计合 理的控制器使灵敏度函数最大化，实现患者用微小的力带动
传统的康复训练主要由康复治疗师完成,由于患者众多 和康复治疗师人员不足,导致患者得不到充分的康复训练且 康复治疗师工作强度很大叫随着机器人学、机构学、仿生 学、控制理论、通讯技术、信息处理技术等学科的发展,穿戴 在人体下肢上，可在使用者操纵下完成特定任务的仿生机器 人即下肢外骨骼机器人逐渐成为康复机器人研究的热点叫 下肢外骨骼机器人可增加截瘫患者、偏瘫患者和老年人康复 训练的时间,减轻康复治疗师工作强度,帮助使用者完成上 下楼梯、跨越障碍等轮椅不能完成的任务：
气压驱动的工艺简单，也比较安全，所用压缩介质对环 境无污染。但由于空气的可压缩性,使得执行器的位置和速 度控制比较困难,稳定性较差。气压驱动中常用的是气动肌 肉驱动,气动肌肉则是充分利用了拟人化的设计思想，外骨 骼机器人的每个转动关节由2个气动肌肉驱动，通过2个气 动肌肉的伸缩模仿拮抗肌的功能,使下肢外骨骼机器人关节 进行运动：但是气动肌肉的抗弯能力很差，只能承受拉力， 不能承受压力载荷，而且其技术还不够成熟，经济性也较 差。液压驱动的驱动力矩大且响应速度快，但工艺相对复 杂,使用时液压缸的背负导致整体重量的增加，液压油的散 热和泄漏问题难以解决：电机驱动的控制系统成熟,不存在 污染等问题且能达到气压和液压难以达到的精确位置控制， 已经成为下肢外骨骼机器人驱动的主要方式:但是关节刚 性驱动方式受到电机性能的限制和机构刚度的约束,造成刚 性驱动器的强鲁棒性和弱适应性，存在电机转矩低、摩擦和 噪音等缺点，针对此类问题，麻省理工的Williamson等人研 发了串联弹性驱动器.采用电机作为驱动源，中间部分与弹 性元件串联，可有效降低外界干扰、缓冲外部冲击,达到精确 的力控制，并具有输出稳定、能量密度高、低阻抗等优点―
验室研究阶段的下肢外骨骼机器人样机更是种类繁多：下 面按照关节驱动方式、控制方法、功能用途对下肢外骨骼机 器人进行分类阐述：
1关节驱动方式 下肢外骨骼机器人的关节驱动方式主要有气压驱动、液
压驱动、电机驱动、串联弹性驱动器驱动a -基于关节驱动方 式的下肢外骨骼机器人及其分类如表1所示:
发达国家中康复医疗团队较多，其下肢外骨骼机器人研 究起步较早，且已经逐步实现产业化，已经从单纯的实验室 样机研究发展到市场化产品阶段，如ReWalk, Indego、Ekso、 HAL等.而我国区域结构不均衡.整个康复医疗器械行业均 相对落后,且下肢外骨骼机器人的研究大量涉及新材料的研 究和应用，以及高精度加工件的使用，在这两方面国内与国 外均有一定的差距,因此目前国内研究大多处于实验室研究 阶段或者处于上市前的临床测试阶段且未正式面向消费者 销售,如中科院深圳研究院样机、电子科技大学样机.Fouri er XI和大艾机器人.面向消费者销售的高端下肢外骨骼机 器人均是国外的且价格昂贵，严重制约了我国截瘫患者、偏 瘫患者和老年人的生存质量的提高' 因此，对国内外下肢外 骨骼机器人研究进行总结分类，找出其共性问题，可为下肢 外骨骼机器人的后续研究提供重要参考：
2控制方法 下肢外骨骼机器人的控Βιβλιοθήκη Baidu方法主要分为:灵敏度放大控
制、预定义步态轨迹控制、基于模型的控制、基于自适应振荡 器的控制、模糊控制、基于脑电一肌电信号控制和混合控
DOI: 10.3969/j.issn. 1001-1242.2019.04.025 *基金项目：国家自然科学基金项目(61473193);上海市工程技术研究中心建设专项(15DZ2251700) 1上海理工大学医疗器械与食品学院/康复工程与技术研究所，上海,200093; 2上海健康医学院；3上海康复器械工程技术研究中心; 4民政部神经功能信息与康复工程重点实验室；5通讯作者 作者简介:魏小东，男.硕士研究生；收稿日期:2017-10-30
外骨骼机器人的运动患者主动机器随动模式下患者与外 骨骼之间维持一定的相互作用力，此时外骨骼与患者的运动 数据相同，利用安装在下肢外骨骼机器人上的传感器所读出 的数据，可对患者进行康复评价 灵敏度放大控制方法多用 于增加人负重能力的下肢外骨骼机器人，然而此方法须具有 一个髙精度的逆动力学模型，且会放大干扰力，使系统难以 稳定 美国加州大学伯克利分校利用此控制方法来控制下 肢外骨骼机器人BLEEX为士兵提供助力,士兵穿戴此外骨 骼背负34kg重物可以以平均1.3m/s的速度进行行走
驱动类型 气压驱动
液压驱动 电机驱动 串联弹性驱动器
表1下肢外骨骼机器人的驱动方式
典型产品
实验室阶段或样机
Nures Robot Suit .Power assist wear by D. Sasaki凶
下肢外骨骼机器人研究进展
申邨用贸辰匚彳志2019年.第34卷.第4期
.综述.
魏小东®4孟青云
喻洪流® 曹武警小胡冰山山
下肢运动能力损伤或缺失会带来肌肉萎缩、骨质疏松、 压疮等严重的健康问题叫研究表明长期卧床会导致基础心 率增加.心脏对定量负荷反应变差,触发血栓形成3因此. 如何最大程度地恢复患者的运动功能是临床康复治疗迫切 而又重要的内容。由于大脑具有可塑造性，准确、及时的重 复康复训练能够促进神经组织功能代偿或者重组,弥补受到 损伤的神经细胞所缺失的功能,从而提高患者的运动控制能 力,促进各个关节肌群的协调运动，最终恢复步行功能;
WWW. rehabi. com.cn 491
Chinese Journal of Rehabilitdlion Medicine. Apr. 2019. \()1. 34. No.4
制z不同控制方法的下肢外骨骼机器人及其分类见表2
2.1灵敏度放大控制
灵敏度放大控制方法(sensitivity amplification control, SAC)又称为虚拟力矩控制方法，该方法不需要在人机之间 安置传感器,可同时控制外骨骼机器人跟随患者运动刚 该 方法是将患者作用到外骨骼上的力与外骨骼输出的传递函 数定义为灵敏度函数，传统方法是将灵敏函数最小化•以增 加系统抵抗外界干扰的能力,而此处的控制冃标却是设计合 理的控制器使灵敏度函数最大化，实现患者用微小的力带动
传统的康复训练主要由康复治疗师完成,由于患者众多 和康复治疗师人员不足,导致患者得不到充分的康复训练且 康复治疗师工作强度很大叫随着机器人学、机构学、仿生 学、控制理论、通讯技术、信息处理技术等学科的发展,穿戴 在人体下肢上，可在使用者操纵下完成特定任务的仿生机器 人即下肢外骨骼机器人逐渐成为康复机器人研究的热点叫 下肢外骨骼机器人可增加截瘫患者、偏瘫患者和老年人康复 训练的时间,减轻康复治疗师工作强度,帮助使用者完成上 下楼梯、跨越障碍等轮椅不能完成的任务：
气压驱动的工艺简单，也比较安全，所用压缩介质对环 境无污染。但由于空气的可压缩性,使得执行器的位置和速 度控制比较困难,稳定性较差。气压驱动中常用的是气动肌 肉驱动,气动肌肉则是充分利用了拟人化的设计思想，外骨 骼机器人的每个转动关节由2个气动肌肉驱动，通过2个气 动肌肉的伸缩模仿拮抗肌的功能,使下肢外骨骼机器人关节 进行运动：但是气动肌肉的抗弯能力很差，只能承受拉力， 不能承受压力载荷，而且其技术还不够成熟，经济性也较 差。液压驱动的驱动力矩大且响应速度快，但工艺相对复 杂,使用时液压缸的背负导致整体重量的增加，液压油的散 热和泄漏问题难以解决：电机驱动的控制系统成熟,不存在 污染等问题且能达到气压和液压难以达到的精确位置控制， 已经成为下肢外骨骼机器人驱动的主要方式:但是关节刚 性驱动方式受到电机性能的限制和机构刚度的约束,造成刚 性驱动器的强鲁棒性和弱适应性，存在电机转矩低、摩擦和 噪音等缺点，针对此类问题，麻省理工的Williamson等人研 发了串联弹性驱动器.采用电机作为驱动源，中间部分与弹 性元件串联，可有效降低外界干扰、缓冲外部冲击,达到精确 的力控制，并具有输出稳定、能量密度高、低阻抗等优点―