综述General Review
外骨骼机器人的研究发展
柴
虎1，2，侍才洪2，王贺燕2，张坤亮2，杨康健2，赵润洲2，张西正2
（1. 南方医科大学生物医学工程学院，广州510515；
2. 军事医学科学院卫生装备研究所，天津300161）
[摘要]
介绍了外骨骼机器人的概念与分类，阐述了近年来国际上外骨骼机器人技术的发展状况及其应用前景，对典
型的外骨骼机器人进行了介绍。分析了外骨骼人机智能系统中的拟人化机械结构设计、驱动系统选择、能源问题及控制系统原理等关键技术的发展，指出现有外骨骼机器人技术的优势与不足，对未来外骨骼机器人技术的发展前景进行了展望。
[关键词]外骨骼；机器人；人机结合
[中国图书资料分类号]R318.6[文献标志码]A [文章编号]1003-8868（2013）04-081-04
DOI ：10.7687/J.ISSN1003-8868.2013.04.081
Development of Exoskeleton Robot Study
CHAI Hu 1,2, SHI Cai-hong 2, WANG He-yan 2, ZHANG Kun-liang 2,
YANG Kang-jian 2, ZHAO Run-zhou 2, ZHANG Xi-zheng 2
(1.Schoolof Biomedical Engineering, Southern medical University, Guangzhou 510515, China; 2. Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Science, Tianjin 300161, China ）
Abstract
The concept and classification of the exoskeleton robot are introduced in brief, along with its progress,
prospective and representatives. The personated mechanical structure design, driving system selection, energy sources and control system principle of the exoskeleton robot are discussed, whose advantages, disadvantages and prospective are also explored. [Chinese Medical Equipment Journal ，2013，34（4）：81-84]Key words
exoskeleton; robot; human-machine cooperation
0引言
外骨骼（exoskeleton ）原指为生物提供保护和支持的坚硬
受损或运动功能部分丧失的患者进行康复治疗和恢复性训练的外骨骼机器人[2]；另一种是以增强正常人力量、速度、负许多重和耐力等人体机能的增力型外骨骼机器人。近年来，国家开展了外骨骼装备的研制，并逐步将其应用于军事作战装备、辅助医疗设备、助力设备等领域，其中美国和日本在外骨骼机器人的研制上取得的成果最为显著。1.1上肢外骨骼机器人
人体上肢的主要功能是操作、抓取和推举等，因此设计上肢外骨骼机器人要考虑肩、肘、腕关节以及上臂、前臂和手掌等运动学元素以及人体上肢多自由度柔性操作等多种特性。
美国是最早进行外骨骼装备研究的国家之一，20世纪60年代，美国通用电器公司就研发了一种基于主从控制的外）外骨骼手，如图1所示。其设骨骼原型机哈迪曼（Hardiman 计目的是协助使用者在外太空、核工厂、水下等进行工作。
20世纪90年代，随着材料、控制、传感等机器人技术的发展，外骨骼技术取得了较大进展。20世纪末，加州大学伯克利分校开发了一种通过控制杆来操作的电液增力型外骨骼
图1
Hardiman 外骨骼系统
的外部结构，外骨骼机器人（exoskeleton robot ）可理解为一种结合了人的智能和机器人机械能量的人机结合可穿戴装备。外骨骼机器人技术在许多领域有着很好的应用前景：在军事领域，外骨骼机器人可以使士兵携带更多的武器装备，其本身的动力装置和运动系统能够增强士兵的行军能力，可以有效提高单兵作战能力；在民用领域，外骨骼机器人可以广泛应用于登山、旅游、消防、救灾等需要背负沉重的物资、装备而车辆又无法使用的情况；在医疗领域，外骨骼机器人可以用于辅助残疾人、老年人及下肢肌无力患者行走，也可以帮助他们进行强迫性康复运动等，具有很好的发展前景[1]。
1外骨骼机器人的类型与结构
外骨骼机器人是一种结合了人的智能和机械动力装置
机械能量的人机结合的可穿戴装备。从结构上来说，外骨骼机器人大致可以分为上肢外骨骼机器人、下肢外骨骼机器人、全身外骨骼机器人和各类关节矫正或恢复性训练的关节外骨骼机器人。从功能上划分，外骨骼装置大致可以分为2种：第一种是以辅助和康复治疗为主的外骨骼机器人，例如辅助残疾人或老年人行走的外骨骼机器人，还有辅助肢体
作者简介：柴虎（1986—），男，硕士研究生，主要研究方向为医疗电子仪
器，E-mail ：1036228040@qq.com。
张西正，E-mail ：z56787@sohu.com通讯作者：
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Chinese Medical Equipment Journal Vol．34No．4April 2013
机械手（如图2所示），操作者使用该装置抓取重物时可通过机械手上的电磁力反馈感知重物的质量、形状以及惯量；借助该机械手，操作者可以轻易地将10倍于自己体质量的物体抓起[3]。
General Review 综述
研制的第一台能够负重且带移动电源的外骨骼机器人。BLEEX 外骨骼机器人由动力设备、背包式支架、2条仿生机械动力腿组成，采用液压驱动，其液压泵能源来源于其背包式支架中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪。整套装备质量约为45kg ，试验者戴上该装备，再携带一个质量达35kg 的背包，仍可行走自如[4-6]。
在BLEXX 下肢外骨骼机器人基础上，洛克希德·马丁公司和伯克利分校共同开发了一款下肢外骨骼机器人HULC （如图5所示），该设备优化设计了BLEXX 部分液压传动装置结构，可以使穿戴者完成匍匐前进和下蹲等动作，HULC 的背部设计了一款搬举装置，该装置可使使用者能搬举需2人甚至更多人才能搬举的重物。HULC 外骨骼可以明显地增强使用者的负重行走能力，且穿戴方便，脱下仅需30s [7-8]。
图2加州大学伯克利分校开发的电液增力型外骨骼抓取机械手
美国SARCOS 公司、美国EXOS 、日本佐贺大学、东京大学、美国索尔福德大学、华盛顿大学、斯坦福大学等相继开展了上肢外骨骼技术的研究，如图3所示。图3中（a ）为日本佐贺大学研究的四自由度轮椅式上肢外骨骼机器人，该装置可以辅助上肢动作，实现肩部与肘部在垂直与水平上的弯曲和伸展；图3（b ）为索尔福德大学研制的七自由度上肢外骨骼装置，该装置可以辅助上肢动作，实现肩关节、肘关节、手腕和尺/桡骨的弯曲和伸展等运动[4]。
图4BLEEX 外骨骼机器人
图5HULC 外骨骼机器人
新加坡南洋理工大学的罗锦发教授研究开发了一种用于长时间负重行走的下肢外骨骼机器人。该系统主要由外侧外骨骼和连接在人体下肢的内侧外骨骼组成，采用了电动机驱动，可增强人体耐力、力量和速度。当使用者穿上该设备时，以内侧外骨骼上的传感器测得的关节角度值作为电动机输出的依据，驱动外侧外骨骼提供助力。另外，罗锦发教授应用零力矩点（zero moment point ，ZMP ）理论对外骨骼机器人行走的稳定性进行了研究[9]。1.3
（a ）四自由度轮椅式
上肢外骨骼机器人
（b ）七自由度上肢
外骨骼装置
全身外骨骼机器人
2008年美国萨克斯公司Steve Jacobsen 等人成功研制出
图3上肢外骨骼机器人
外骨骼机器人XOS-1，如图6所示。该装置为全身式外骨骼机器人，利用附在身体上的传感器可快速有力地响应穿戴者的行为动作。当使用者穿上XOS-1时，能轻松地将200lb （1lb=0.4536kg ）的重物连续举50~500次。该装备以自带电池为动力源，但只能使用40min 。
2010年雷神又发布了第二代外骨骼机械装XOS-2，如该装置同样为全身式外骨骼机器人，是第一代的图6所示，
改进版，比第一代更轻、更快、更强，同时将耗电量降低了50%。XOS-2由一系列结构、传感器、传动装置以及控制器构成，由高压液压驱动。借助于这种外骨骼，佩戴者可轻松将200lb 的重物举起几百次而不会感到疲劳，还可重复击穿3in （1in=2.54cm ）厚的木板。该装置十分轻便，士兵穿着它可以完成踢足球、击打速度球、爬楼梯和下坡等动作[10]。
日本筑波大学山海嘉之教授开发研制了混合辅助动力腿（hybrid assistive leg ，HAL ）系列外骨骼机器人，其第五代产
1.2下肢外骨骼机器人
人体下肢主要承担站立、保持平衡、行走等功能，其运动
结构比上肢要简单一些。设计下肢外骨骼需要较大的关节输出，且要考虑步态稳定、平衡等因素，其机械结构设计、控制算法等较为复杂。
2000年，美国国防部高级研究项目局（defense advanced research projects agency ，DARPA ）资助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 ）和Millennium Jet 公司等开展了增力外骨骼机器人的研究。
2004年，美国加州大学伯克利分校研制出的下肢外骨骼机器人（Berkeley lower extremity exoskeleton ，BLEEX ）（如图4所示），是美国国防部高级研究项目局（DARPA ）EHPA 项目
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综述General Review
海军航空学院正工业大学开发一套下肢康复外骨骼系统[17]；在开发一种能量辅助骨骼服等[18]。
2
2.1
外骨骼机器人关键技术
外骨骼机械结构
外骨骼机器人是一种人体可穿戴的机械装置，因此使用
过程中的安全性、舒适性和实用性是应该首先考虑的因素。外骨骼机器人大致可分为上肢外骨骼机器人、下肢外骨骼机器人和全身外骨骼机器人，无论是哪一种外骨骼机器人都将与人体进行“亲密接触”，因此在设计外骨骼机械结构时要全面地分析人体各关节的运动范围和运动特点，尽量的合理化、拟人化，从而使穿戴者安全舒适、动作灵活且不受限制。
图6
Raytheon 外骨骼机器人Sarcos XOS-1和
XOS-2
因此，设计外骨骼机械结构时要考虑到以下几点：（1）设计外骨骼时要尽量遵循拟人原则，外骨骼各个肢体关节等机械形状和尺寸参照人体；（2）外骨骼机器人的各个关节，如膝、髋、踝关节等，自由度要考虑到人体相应关节，确保其运动形式与人的运动形式相同，并且外骨骼各个关节要有一定的运动范围，使其既不限制人体运动，又能确保动作时的安全；（3）外骨骼要能够在不同的环境使用，如沙漠、山地、坡地、草地、楼梯等。
2.2外骨骼机器人的驱动系统
外骨骼机器人的驱动系统和驱动器必须质量轻、体积小，并且能提供足够大的驱动力矩或扭矩，同时要具有良好的散热性能。当前国际上的外骨骼设备常用的驱动系统主要有电气压驱动系统、液压驱动系统3种。动机驱动系统、2.2.1
液压驱动
液压驱动是以液体为工作介质进行能量传递和控制的传动方式。液压系统具有惯性小、构造简单、可靠性高、工作稳定等优点。但是工作中受压液体容易泄漏，并且工作噪声较大、能源使用效率低、传动速度低。美国加州大学伯克利分校研制成的助力机械服装BLEEX 系列和雷神公司推出的外骨骼机械装XOS 系列均采用了液压驱动方式来驱动外骨骼。2.2.2气压驱动
品HAL-5为全身外骨骼机器人，如图7所示。该装置质量为21kg ，上肢可负重40kg ，下肢可负重100kg ，其利用角度传感器、力传感器和置于人体表面的肌电信号传感器来获取外骨骼和人体的运动状态信息，采用电动机驱动系统，能量来源于其自带的电池。HAL 系列外骨骼机器人可以辅助老年人及残疾人行走、上下楼梯等动作[11-13]。
日本神奈川理工学院研制出一种用于协助医院护士照料患者的气动外骨骼助力服（power assist auit ，PAS ），如图8所示。PAS 可以将人体的力量增加0.5~1倍，为了减小动力和控制系统的体积，该装置采用了便携式镍镉电池和微型气泵[14]。
图7
驻波大学HAL-5
外骨骼机器人
图8PAS 外骨骼机器人气压驱动是以压缩空气为工作介质进行能量传递和控制的传动方式。气压系统具有结构简单、无污染、阻力损失小、成本低等优点，但是气动装置传动速度的稳定性较差，信号传递速度较慢、控制性差，不适用于大功率系统传动。日本神奈川工科大学成功研制的全身型外骨骼机器人（power assist suit ，PAS ）采用的气压传动装置可将使用者的力量增加0.5～l.0倍。2.2.3
电动机驱动
电动机驱动系统是利用电力设备并调节电参数来传递动力和进行控制的一种传动方式。电动机系统技术成熟、结构简单、无污染、信号传递迅速且易于实现自动化，但是其动态平衡性差、质量大、惯性大、换向慢。日本驻波大学的外骨骼机器人HAL 系列采用了电动机驱动技术。2.3
能源
目前，外骨骼机器人主要以蓄电池供电，移动范围受到蓄电池的容量和效率的限制，如何提高蓄电池单位体积的容量和外骨骼的使用效率是国内外科研机构一直致力于解决
1.4其他外骨骼机器人
外骨骼机器人逐渐向着多元化、多功能化、民众化方向
发展，外骨骼装置的类型和功能越来越齐全。例如各类关节矫正或恢复性训练的关节外骨骼机器人：麻省理工学院研制的踝矫形器和美国东北大学的膝关节矫形器等；国外日益流行的健身外骨骼系统；美国西佛罗里达大学正在研究的水下外骨骼技术等。随着技术的发展，外骨骼机器人将更加医疗等方面得到全方位的多样化和多功能化，将会在娱乐、应用[15]。
外骨骼技术在我国尚处于基础研究阶段，我国国家自然科学基金和科技支撑计划也逐渐关注、开展外骨骼机器人的研究，清华大学、上海大学、东南大学、浙江大学、合肥中科海军航空工程学院等单位也介入了该课题基础理论与关院、
键技术的研究。其中浙江大学研制了一款下肢外骨骼助行器[15]；上海大学研制了一种下肢步态矫形外骨骼机器人[16]；哈尔滨
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的关键问题，可以寻求新能源技术，包括太阳能、生物能等解决能源发展的瓶颈。2.4
控制系统
根据人机一体化智能机器人控制理论，外骨骼人机系统的控制模型可分为感知层、决策层和执行层，如图9所示。感知层包括人的感知和外骨骼系统上的多个传感器平台，用于收集人机外骨骼系统的各种信息，通过信息融合技术将其融合后送入决策层；决策层分析处理感知层传来的信息，确定控制策略，并控制协调人机系统；决策结果通过人机耦合接口传入执行层，由执行层的执行机构完成外骨骼人机系统的运转[19]。
环境
人
人机感觉器官
机器感知系统
General Review 综
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修回：2012-03-26）
人的思维器官
人机
耦合接口
机器智能处理中心
人的运动器官机器控制执行系统
作用对象
图9外骨骼人机系统控制模型
将外骨骼机器人控制系统按照从感知层中获取的信息类型进行分类，主要有以下几种类型：（1）基于人体生理信号（如脑电信号、肌电信号等）的控制系统，如HAL 系列外骨骼机器人；（2）基于人机接触信息以及外骨骼运动状态信号（角度、角速度、位移等）的控制系统，如BLEXX 系列外骨骼机器人和XOS 系列外骨骼机器人。
外骨骼机器人控制系统既要确保外骨骼能快速准确地响应人体的各种动作，还要考虑到外骨骼与不同操作者之间的运动默契问题，即外骨骼人机系统要有一定的学习能力，以便适应不同操作者的运动特点，因此外骨骼人机智能系统的分析和设计较为复杂[20]。
4发展前景
外骨骼机器人在许多领域有着良好的发展前景，引起了
各国的重视，近年来外骨骼机器人技术取得了突破性的发展，但有许多关键问题仍待解决：（1）体积较大、动作笨拙，其环境的适应性和运动的灵活性较差；（2）与操作者的预期动作不吻合；（3）外骨骼机器人的能源使用效率不高；（4）控制系统的自适应能力和自学习能力较弱。另外，外骨骼机器人要真正用于实践，还要考虑其自身的质量问题、柔性安全问题、噪音问题、舒适度问题等。随着科技的进步和上述问题的解决，各种特殊功能的外骨骼机器人将广泛应用于民用康复治疗和军用助力装备方面。
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