外骨骼機器人研究報告發(fā)展綜

外骨骼機器人研究發(fā)展綜述羅川摘要外骨骼機器人又稱可穿戴機器人，是一種結合了人的智能和機械動力裝置的機械能量的機器人。外骨骼機器人融合了傳感、控制、驅(qū)動、信息融合、移動計算等綜合技術為作為操作者的人提供一種可穿戴的機械機構。本文簡介了外骨骼機器人的發(fā)展歷史以及國外研究現(xiàn)實狀況，對外骨骼機器人的關鍵技術：機械構造設計，驅(qū)動單元，控制方略進行了研究，分析了其技術難點最終對其發(fā)展前景進行了闡明。關鍵詞：外骨骼機器人關鍵技術目錄引言31.發(fā)展歷史及現(xiàn)實狀況31.1國外發(fā)展歷史現(xiàn)實狀況31.2國發(fā)展歷史現(xiàn)實狀況32.關鍵技術分析32.1外骨骼機器人的構造設計32.2外骨骼機器人驅(qū)動單元32.3外骨骼機器人的控制方略33.外骨骼機器人技術難點分析34.前景展望34.1外骨骼機器人的研究方向34.2外骨骼機器人技術的應用3引言現(xiàn)代機器人所具有的機械動力裝置使得機器人可以輕易地完畢諸多艱苦的任務，例如舉起、搬運沉重的負載等。雖然現(xiàn)代機器人控制技術有了長足的發(fā)展，還遠達不到人的智力水平，包括決策能力和對環(huán)境的感知能力。與此同步，人類所具有的智能是任何生物和機械裝置所無法比擬的，人所能完畢的任務不受人的智能的約束，而僅受人的體能的限制。因此，將人的智能與機器人所具有的強大的機械能量結合起來，綜合為一種系統(tǒng)，將會帶來前所未有的變化，這便是外骨骼機器人的設計思想。外骨骼機器人實質(zhì)上是一種可穿戴機器人，穿戴在操作者的身體外部，為操作者提供了諸如保護、身體支撐等功能，同步又融合了傳感、控制、驅(qū)動、信息融合等機器人技術，使得外骨骼可以在操作者的控制下完畢一定的功能和任務。本文通過簡介外骨骼機器人的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)實狀況深入分析了外骨骼機器人的關鍵技術，并對其技術難點以及發(fā)展前景作了闡明，以期在全面認識外骨骼機器人基礎上對其開展深入深入研究。發(fā)展歷史及現(xiàn)實狀況1.1國外發(fā)展歷史現(xiàn)實狀況外骨骼系統(tǒng)的最早研究始于20世紀60年代。1962年，美國空軍就規(guī)定康奈爾航空試驗室進行一項采用主從控制方式的人力放大器系統(tǒng)的可行性研究。從1960年到1971年，美國通用電器企業(yè)開始研發(fā)一種基于主從控制的外骨骼原型機，名字叫做“Hardiman”，如圖1所示。Hardiman采用電機驅(qū)動方式，可以像舉起10磅那樣來舉起250磅的重物。不過，由于技術的限制，導致Hardiman的體積和重量過大，無法進行實際應用，慢慢停止了發(fā)展。同步期進行外骨骼研究的尚有貝爾格萊德大學的Vukobratovic等人，他們的研究重要用于輔助下肢癱瘓患者進行運動康復。盡管只實現(xiàn)了部分運動形式，不過研究過程中得到的平衡算法在雙足步行機器人中得到了廣泛應用。隨即盡管人體外骨骼機器人經(jīng)歷過一段時間的沉寂，但到20世紀末，由于傳感技術、材料技術和控制技術等技術的發(fā)展和多種軍事、民用需求的凸顯使得人體外骨骼機器人再次進入了蓬勃發(fā)展階段，美國、日本和俄羅斯等國均針對人體外骨骼機器人開展了大量的研究工作。，美國國防高級研究計劃局(DARPA)在出資五千萬美元用于資助對可以增強人體機能的外骨骼(EHPA)的研究與開發(fā)，研制一種穿戴式的，具有自適應能力的外骨骼系統(tǒng)，使士兵在穿著外骨骼后，行軍能力大大提高。DARPA的該項目資助了多家研究機構，重要有加利福尼亞大學伯克利分校機器人和人體工程試驗室、OakRidge國家試驗室、鹽湖城人體機能研究所、“千年噴氣機”企業(yè)、SARCOS企業(yè)等。其中伯克利分校、SARCOS企業(yè)和麻省理工學院展示了試驗樣機，其他單位則在傳感驅(qū)感人機界面生物力學人因測試等方面進行了分析與試驗。圖2伯克利的BLEEX2004年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼機器人BLEEX是DARPA項目的第一臺帶移動電源和可以負重的下肢外骨骼機器人。如圖圖2伯克利的BLEEXBLEEX由一種用于負重的背包式外架、兩條動力驅(qū)動的仿生金屬腿及對應動力設備構成，使用背包中的液壓傳動系統(tǒng)和箱式微型空速傳感儀作為液壓泵的能量來源，以全面增強人體機能。BLEEX的每條腿具有7個自由度(髖關節(jié)3個，膝關節(jié)1個，踝關節(jié)3個)，在該裝置中總共有40多種傳感器以及液壓驅(qū)動器，它們構成了一種類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)。BLEEX的負重量能到達75kg，并以0.9m/s的速度行走，在沒有負重的狀況下，能以1.3m/s的速度行走。然而BLEEX由于構造復雜能量消耗大操作者長時間使用很不舒適因此未獲得ＤＡＲＰＡ第二階段的資助。BLEEX雖然未獲得深入的資助不過Kazerooni專家和他的學生成立了伯克利仿生企業(yè)爭取吸引風險投資并對骨骼服技術進行市場化運作設計開發(fā)了愈加輕便簡潔實用的HULC（humanuniversalloadcarrier）如圖３所示：圖圖3洛克希德馬丁企業(yè)的HULCHULC被著名的武器承包克希德－馬丁企業(yè)收購。HULC質(zhì)量為24kg（不含電池）兩塊電池質(zhì)量為3.6kg。士兵穿戴上HULC之后可以額外負重91kg，是BLEEX系統(tǒng)負重能力的3倍。電池可供以５km/h的速度持續(xù)行走3h。速度峰值可到達16km/h?？梢哉fHULC是最靠近實戰(zhàn)應用的一款骨骼服。目前正在進行深入的集成開發(fā)同步進行部隊的演示驗證試驗。圖4雷神企業(yè)的XOS-2雷神企業(yè)在收購了參與EHPA項目的SARCOS企業(yè)后，也推出了其研制的第一代全身型人體外骨骼機器人XOS。XOS可以在背負68kg且手持23kg的負荷時以1.6m/s的速度行進，并可實現(xiàn)彎腰下蹲和跪地等動作。第二代XOS機器人問世，如圖圖4雷神企業(yè)的XOS-2第二代XOS人體外骨骼機器人的能耗較第一代減少了二分之一，并且較第一代具有更強的負重能力，系統(tǒng)的敏捷度和響應速度深入提高。但其缺陷在于能量消耗仍舊較大，至今仍依賴地面供電?？傊绹墓趋婪攒娛聭脼楸尘百Y助力度大資助圍廣對骨骼服各個方面的研究最為深入展現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)，研究水平居世界前列。圖5筑波大學的HAL-5日本是當仁不讓的機器人技術強國，不過骨骼服的軍事意義相稱明顯，因此日本重要從骨骼服的民事應用入手在助殘護理勞動等應用領域?qū)趋婪归_了廣泛的研究，成績明顯。日本筑波大學于推出了世界上第一款商業(yè)人體外骨骼機器人(HAL)，目前已發(fā)展到第五代助力機器人HAL-5，如圖圖5筑波大學的HAL-5HAL-5是一種全身型助力機器人，其特點在于通過遍及全身的肌電傳感器實現(xiàn)對人體運動信息的采集，并通過電機實現(xiàn)對各關節(jié)的助力。HAL-5重約15kg，其能源供應裝置小巧，使用時間長，不過由于使用了肌電傳感器導致其穿戴復雜，且易受干擾，目前僅用于民用領域。除此之外，日本神奈川理工學院研制的采用氣壓驅(qū)動的動力輔助服和本田企業(yè)采用非擬人設計的助力機械腿也已經(jīng)進入樣機制造階段。國外其他國家的人體外骨骼機器人研究：俄羅斯目前研制出了一款戰(zhàn)士-21的單兵作戰(zhàn)服，其可以讓士兵攜帶重物疾馳，且可以在電力耗盡時迅速脫下；法國防務企業(yè)與法國武器裝備總署聯(lián)合研制了名為“大力神”的協(xié)同可穿戴式外骨骼機構，意在使穿戴者可以輕松攜帶100kg重物，其電池可使穿戴者以4km/h的速度行進大概20km。同步，國、意大利及新加坡等國家也有有關方面的研究，但由于均沒有進行公開演示，故有關資料較少。1.2國發(fā)展歷史現(xiàn)實狀況目前國開展人體外骨骼機器人研究的重要有大學、中國科技大學、華東理工大學及中國北方車輛研究所等大學和研究所。大學重要進行人機耦合的層次式控制框架的研究，并設計完畢了一種基于氣動的外骨骼機器人樣機。中國科技大學在人體外骨骼機器人的姿態(tài)感知及控制措施方面展開了大量研究，在有關姿態(tài)傳感器方面獲得了不少成果。華東理工大學也在做有關方面的研究，已完畢了一套液壓驅(qū)動的實物樣機。中國北方車輛研究所在人體外骨骼機器人的計算機虛擬建模及仿真方面做了深入研究，并在行走助力機器人用小型液壓缸設計等方面有所突破。此外尚有諸多機構也展開了有關研究，如：海軍航空工程學院對基于電機驅(qū)動的人體外骨骼機器人進行了研究；工業(yè)大學在助力機器人機構設計方面進行了一定研究。總體來看，由于國在人體外骨骼機器人研究方面起步較晚，大多處在理論研究階段。同步由于資金支持力度較小，所設計的實物樣機也均略顯粗糙。關鍵技術分析外骨骼機器人從功能上看可分為如下幾種子系統(tǒng)：機器人機械構造、動力輸出及執(zhí)行系統(tǒng)、姿態(tài)感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。根據(jù)美國和日本對人體外骨骼機器人的研究成果，并結合在進行外骨骼機器人各系統(tǒng)設計過程中的經(jīng)驗教訓，探討外骨骼機器人各系統(tǒng)的某些關鍵技術。2.1外骨骼機器人的構造設計外骨骼規(guī)定良好的穿戴性和操作舒適性，這對外骨骼的機械系統(tǒng)設計提出了詳細的規(guī)定。首先，外骨骼的設計必須在充足體現(xiàn)仿生學和人體工程學的基礎上，盡量采用擬人化的設計手段。這一點不僅應當體目前詳細的構造設計上，并且還要體目前目的功能的實現(xiàn)上。首先，外骨骼的構造應當盡量的模擬真實的人體下肢，尤其是在各個關節(jié)的布置和自由度的分派上；另首先，外骨骼上驅(qū)動元件的布置也要參照人體下肢重要的代表性肌肉的分布，從而模擬人體行走過程中這些肌肉的對應功能。同步，驅(qū)動元件和傳感器件的數(shù)量也要盡量少，以到達增長系統(tǒng)魯棒性和減少系統(tǒng)成本的目的。只有在滿足這些條件的前提下，所設計的目的外骨骼才有也許和操作者協(xié)調(diào)運動且保證兩者之間的互相干涉最小。另一方面，外骨骼的機械構造應當具有長度可調(diào)整性，即身材兼容性。由于不一樣的人的身材不一樣，即有高矮胖瘦之差，對應的，其下肢的幾何尺寸也不盡相似，因此，所設計的機械下肢的尺寸應當容許在一定圍可以進行調(diào)整，從而可以滿足大多數(shù)人的使用規(guī)定，使其合用面更廣。再次，外骨骼應當具有結實、耐用、輕巧、便攜的特點。外骨骼在使用過程中，其機械構造不僅要能承受背在載物架上的多種負載的重量，還要可以承受在行走過程中來自地面的沖擊力，因此應當首先保證構造的剛度。除此之外，由于本項目的最終目的是建立“自給式”的步行外骨骼，即外骨骼除了需要攜帶多種常規(guī)的儀器和工具之外，還需要隨身攜帶其自身必須的能量供應系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，因此外骨骼的本體構造要盡量的輕，這樣不僅可以提高其攜帶有效載荷的能力，并且可以提高外骨骼的易操作性。外骨骼機構的另一項重點便是其安全性問題，作為和身體親密接觸的機械構造，必須以不對人體導致威脅為前提。外骨骼也許出現(xiàn)的安全問題是外骨骼和人肢體運動方向出現(xiàn)分歧。因此在連桿設計的時候必須考慮關節(jié)轉動限位。2.2外骨骼機器人驅(qū)動單元外骨骼機器人的驅(qū)動系統(tǒng)和驅(qū)動器必須質(zhì)量輕體積小，并且能提供足夠大的驅(qū)動力矩或扭矩，同步要具有良好的散熱性能。目前國際上的外骨骼設備常用的驅(qū)動系統(tǒng)重要有電動機驅(qū)動系統(tǒng)氣壓驅(qū)動系統(tǒng)液壓驅(qū)動系統(tǒng)3種。目前日本的HAL機器人采用電機驅(qū)動方案，美國的HULC以及XOS-2機器人采用液壓驅(qū)動方案，日本神奈川工科大學成功研制的全身型外骨骼機器人（powerassistsuit，PAS）采用的氣壓傳動裝置可將使用者的力量增長0.5~l.0倍。三者各有優(yōu)缺陷。電機驅(qū)動方案的控制模式簡樸、直接，控制精度較高，響應快，維護和使用以便，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境等諸多長處。但能輸出較大扭矩的電機體積卻較大，不適宜布置，影響系統(tǒng)的靈活性；液壓驅(qū)動方式雖然具有可控性強、傳動平穩(wěn)、驅(qū)動力矩大等特點，合用于高速重載的搬運和零件加工機器人。不過在控制響應速度和精度上有先天的局限性，且成本高、構造復雜、能量使用率低、密封困難等問題；氣壓驅(qū)動輕易到達高速、介質(zhì)無污染、使用安全、工作壓力低，制造規(guī)定比液壓元件低、管理維護比較輕易，不過氣動裝置的信號傳遞速度較慢，其穩(wěn)定性較差，難以控制，噪聲較大。2.3外骨骼機器人的控制方略外骨骼機器人和其他機器人的最大區(qū)別在于它的操作者是人，而不是機器，操作者處在回路中，即“人在回路中（ManinLoop）”，操作者與外骨骼具有實實在在的物理接觸，形成了一種人機耦合的一體化系統(tǒng)。人機耦合系統(tǒng)的控制目的就是要使人和機器可以協(xié)調(diào)地工作，完畢任務。(1)預編程控制：外骨骼中有諸多是基于康復目的的有外部能源驅(qū)動的步態(tài)矯正裝置。這些裝置重要是下肢外骨骼，用于支撐重量，對操作者進行下肢康復訓練。這些外骨骼裝置通過預先編好的程序來運行，裝置的運動軌跡是預先編程設計好的，設計時根據(jù)正常人的運動步態(tài)來設計并有所改動以適應于矯正裝置，但操作者只能進行有限的干預?；诔绦蚩刂频目祻统C正裝置都需要患者使用手杖或者額外的輔助框架來保持操作者行走的穩(wěn)定，并且實現(xiàn)的運動形式也十分有限。(2)基于人體腦電信號(EEG)的外骨骼控制方略：EEG是人的大腦皮層產(chǎn)生的一種電腦波，可以直接反應人體運動意圖。伴隨腦機接口技術的發(fā)展，EEG在智能假肢和儀器控制上有了較大發(fā)展，不過腦電信號微弱，噪聲大，研制成本高，提取困難，數(shù)據(jù)處理程序較為復雜。該方式常用于肢體癱瘓患者的助力裝置設計，但操作者使用該類型裝置時必須集中思想，不能分散，否則會影響裝置運轉，不合用于操作者同一時刻執(zhí)行多重腦部指令任務。為巴西世界杯開出的第一個球的癱瘓少年身穿一款被命名為“Bra-SantosDumont”的“外骨骼”，這套裝置就是通過患者大腦意識活動進行控制的。(3)基于人體表面肌電信號(sEMG)的外骨骼控制方略：sEMG是一種復雜的表皮下肌肉電活動在皮膚表面處的時間和空間上的綜合成果，可以直接反應人肢體的動作信號，廣泛地應用于肌肉運動、肌肉損傷診斷、康復醫(yī)學及體育運動等方面的研究，尤其是在智能假手方面已經(jīng)有了成熟的技術；日本筑波大學山海嘉之研制的HAL-5外骨骼機器人就是使用貼附在人體皮膚上的電極檢測微弱的生物電流，不過肢體的EMG信號和關節(jié)運動力矩之間的關系并不是完全確定的，并且還要考慮肌力力臂和不一樣個體生理狀況的影響，因此使用EMG信號的控制器一般合用于特定操作者的個體設備。此外測量肌電所采用的大部分的電極或傳感器必須和人體表面皮膚緊密接觸，而在大幅度運動下，此類型傳感器輕易脫落、易位，并且長時間運動后，人體出汗會影響傳感器的測量；EMG信號中往往包括很強烈的噪聲，必須通過額外的處理才能應用于系統(tǒng)中；傳感器每次都要貼到人體表面，使用不便。(4)基于運動力學信號的外骨骼控制方略：人體穿上外骨骼行動時，人體動作、人和外骨骼之間、外骨骼和地面之間都會產(chǎn)生運動力學信號，根據(jù)這些信號可以采用諸如主從控制、直接力反饋控制、地面反作用力控制、ZMP控制等控制方略。這些信號較為穩(wěn)定、有規(guī)律，不易受干擾且易于采集，但為保證信號采集的迅速性和精確性，必須在外骨骼和人體上使用大量不一樣類型傳感器裝置，并且傳感器在外骨骼上的合理配置對于運動信息采集的迅速性和精確性有很大的影響，故其構造和硬件設計較為復雜。美國伯克利大學的BLEXX和雷神的XOS系列外骨骼運用大量不一樣類型傳感器元件采集運動信息，以到達對外骨骼機器人行為動作和平衡控制，保證使外骨骼迅速精確地響應人體的動作。上述幾種控制方略單獨應用于外骨骼機器人都存在一定的技術缺陷。預編程控制方式會限制外骨骼動作模式的擴展性；腦電信號控制方式會影響人腦對其他動作的控制，易受到外界環(huán)境的干擾；肌電信號控制方式安裝規(guī)定高，穿戴不以便并且輕易脫落；基于運力學信號的控制方式對傳感器選擇和配置方案有較高規(guī)定，其硬件較為復雜。3.外骨骼機器人技術難點分析在開發(fā)一套外骨骼系統(tǒng)的整個過程中，目的功能最終能否順利實現(xiàn)取決于諸多原因的共同影響和作用，包括設計擬人化的人體下肢外骨骼機構、選用高效的控制方式和控制方略等，處理了這些問題才能使外骨骼系統(tǒng)不僅可以跟隨操作者完畢必要的肢體運動，并且可以對人體步行適時提供助力，從而大幅度提高人的運動及負載能力。詳細來說，為實現(xiàn)最終的功能規(guī)定，在整個外骨骼系統(tǒng)的研發(fā)過程中，重要存在如下幾大技術難點：(1)擬人化外骨骼機構的合理設計。包括：外骨骼機械構造和關節(jié)運動副的優(yōu)化設計，驅(qū)動器件和傳感器件的合理選擇與集成設計，運動自由度的分派和冗余自由度選擇等，以便使人穿戴舒適、操作靈活、最大程度地拓展人的活動圍，這是外骨骼開發(fā)過程中首先需要處理的一大關鍵問題。(2)外骨骼步態(tài)規(guī)劃與生成及其運動穩(wěn)定性問題。步態(tài)的規(guī)劃和生成重要有兩種方案：a“離線規(guī)劃，在線校正”。根據(jù)人體運動學記錄數(shù)據(jù)進行外骨骼步態(tài)的規(guī)劃，并且依托對執(zhí)行器的精確控制來完畢步態(tài)的生成；在操作者穿著行走時，外骨骼可以通過和操作者的交互來實時校正和調(diào)整步態(tài)。b外骨骼步態(tài)學習與復現(xiàn)。除了使用已經(jīng)有的人體運動學記錄數(shù)據(jù)實現(xiàn)步態(tài)的生成外，還可以采用先讓外骨骼自己跟蹤和學習操作者的步態(tài)，繼而將原步態(tài)完整復現(xiàn)的控制方略，增長操作者穿著步行時的舒適感。同步，必須保證外骨骼步態(tài)的穩(wěn)定性調(diào)整圍不能超過人體可以調(diào)整的圍，以保證行走的平穩(wěn)和穿戴者的安全。(3)外骨骼和操作者的協(xié)調(diào)運動問題。外骨骼的控制算法要能保證它可以和操作者一直保持協(xié)調(diào)一致的運動節(jié)奏，以使兩者之間的互相干涉作用最小，并可以根據(jù)人的運動意圖來適時提供助力。保證人穿戴后，運動承擔減小，即穿戴外骨骼后行走同樣距離的旅程人體所消耗的能量比沒有穿戴外骨骼時所消耗的能量少。要采用愈加符合外骨骼構造實際狀況的模型進行運動學及動力學分析，提高運動學和動力學模型的實用性。改善既有的跟隨控制方略，使跟隨系統(tǒng)效率更高?？傊?，在人體外骨骼機器人控制系統(tǒng)設計時，需把握4個原則：減少行走干涉，減少系統(tǒng)復雜度和成本，具有自適應學習能力，簡化控制方略。(4)驅(qū)動器和驅(qū)動系統(tǒng)的選擇。既要有較輕的重量，較小的體積，又必須具有較大的驅(qū)動力或驅(qū)動扭矩，同步還要有良好的散熱性能。這也是可穿戴式的外骨骼系統(tǒng)能否實現(xiàn)“構造緊湊”、“輕巧便攜”和“攜帶動力”等幾大要素的關鍵問題。(5)樣機材料的選擇。由于下肢步行外骨骼是穿戴在人身上，與人一起運動的，因此必須規(guī)定外骨骼非常輕便，同步又要具有很好的剛度，以承受人體和重物的重量以及與地面的碰撞，因此也許需要選用某些新型的復合材料作為樣機的制作材料。外骨