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林用下肢外骨骼机器人结构设计
作者：史腾达 王超 侯俊鹏 王容海 闫磊
来源：《农业与技术》2013年第01期
摘 要：下肢外骨骼助力机器人是一款能够帮助人们支撑地面和加强人们承载负荷能力的助力机器人。本文主要介绍了应用于林业的外骨骼助力机器人的机械结构。森林中的环境是复杂多变的，且现在大多数林业生产仍由人类手工完成，这项任务非常繁重，因此我们想发明一项装置来帮助人们完成各项工作。这样一来，不仅减轻了人们的劳动负荷，而且可以大大提高林业生产效率。这款下肢外骨骼助力机器人通过安装在其上的多个传感器来采集人们的运动样式，并做综合分析，作出准确地判断后为人们的运动提供助力。
关键词：机器人；机械结构；外骨骼；下肢
中图分类号：TP242 文献标识码：A
1 国内外研究现状
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1960～1971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”。
随着现代科技的高速发展，尤其是传感器技术、材料科学、控制科学、仿生学等技术的突破，使这方面的研究和下肢外骨骼助力机器人的发展取得了重大进步。这款机器人可主要应用于军事、医疗、农林等领域。应用于军事领域的助力机器人可提高普通士兵的单兵作战能力，可以让士兵承载更大的负荷，并进行更远距离的跋涉。2004年，美国伯克利大学军方合作项目——外骨骼助力机器人士兵服问世，该装置名为“伯克利低位肢体外骨骼（BLEE ）”，尝试将自动机械支柱与人的双腿相连，以降低负重，从而使步兵能够在负载更重的情况下行进更长的路程。该装置能平衡掉设备的自重（50kg ），使人穿着时无负载感觉。美国另一个军事合作项目，代表助力外骨骼机器人最新水平的XOS ，利用附在身体上的传感器，可以毫不延迟地反应身体的动作，输出强大的力量。应用于医疗领域的下肢外骨骼助力机器人，主要可帮助下肢有残疾的病人进行康复训练，拓宽他们的活动范围。以色列埃尔格医学技术公司研发的“ReWalk”，由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成，动力传动采用电机～减速器～外骨骼机构的方法，运动模式是装置带动人体动作，装置的助力大小由控制系统设定，不能跟随人的动作意愿而随时改变。主要用来帮助瘫痪者恢复行走能力。东京农业科技大学引进了一款农业助力机器人来帮助农民种植庄稼，该机械服装有8台发动机和16个传感器。这款重约25kg 的设备专为从事农业的老年人设计，在他们长时间保持蹲伏或高举动作时可对腿部肌肉和关节提供支持。