外骨骼機(jī)器人研究綜述

外骨骼機(jī)器人研究綜述摘要外骨骼機(jī)器人(ExoskeletonRobot)實(shí)質(zhì)上是一種可穿戴機(jī)器人，即穿戴在操作者身體外部的一種機(jī)械機(jī)構(gòu)，同時(shí)又融合了傳感、控制、信息耦合、移動計(jì)算等機(jī)器人技術(shù),在為操作者提供了諸如保護(hù)、身體支撐等功能的根底上，還能夠在操作者的控制下完成一定的功能和任務(wù)。本文簡要介紹外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀以及開展趨勢。需求分析隨著社會的開展，老齡化加重，已超過人口總數(shù)的10%。老年人普遍存在體力不支，行動不便，力量、耐力缺乏等情況，研發(fā)一種可穿戴舒適的外骨骼機(jī)器人，助老年人行走、上下樓梯、適當(dāng)負(fù)重等十分必要，同時(shí)，可穿戴式外骨骼機(jī)器人也適用于殘疾人或身體機(jī)能薄弱者，這將會大大減少照顧老弱病殘者的人力資源，減輕社會與家庭的壓力，具有社會與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。傳統(tǒng)的交通工具是遠(yuǎn)行與負(fù)重的主要方式，但存在對路面要求高，不適應(yīng)于軍事、消防營救等領(lǐng)域，士兵與消防人員需長距離行走、背負(fù)重物、野外作業(yè)等，這些特殊活動交通工具都沒法完成，且對運(yùn)動者的身體素質(zhì)要求非常高。研制一種可穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)，可以提供充足的能量和耐力來增強(qiáng)長時(shí)間行走和負(fù)重等能力，從而完成一些特殊任務(wù)?？纱┐魇酵夤趋罊C(jī)器人由于自身的商用與軍事應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)成為近年來國內(nèi)外學(xué)者的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。理想外骨骼機(jī)器人有能夠在操作者需要的時(shí)候及時(shí)提供幫助但永遠(yuǎn)不阻礙其行動的自動化機(jī)器人裝置替代他的手足，能承受貨物背負(fù)任務(wù)且與人體完全結(jié)合，準(zhǔn)確預(yù)判佩戴者的意圖，具有防護(hù)并增強(qiáng)操作者負(fù)重和運(yùn)動能力的作用。理想外骨骼機(jī)器人的研制困難可想而知。研究現(xiàn)狀早期人類為減少人員傷亡所制作的盔甲其實(shí)已經(jīng)屬于外骨骼的雛形，提高了士兵的個(gè)人防護(hù)能力，但其存在自重與被動阻力，極大消耗了使用者的體力。1960年，通用電氣公司研制一種名為“哈曼迪1〞的可佩戴單兵裝備，采用液壓驅(qū)動。該公司第一個(gè)提出并開展增強(qiáng)人體機(jī)能的主動助力型外骨骼機(jī)器研究。其外骨骼體積巨大且笨重，平安性能低，也只能取代單只手功能。1978年，麻省理工學(xué)院研究了“增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼〞，負(fù)重問題有所改善，其驅(qū)動能源與便攜式問題尚未解決，沒有完整的成果。1991年，日本神納川理工學(xué)院開發(fā)了一套獨(dú)立的可穿助力外套〔如圖1所示〕，使用肌肉壓力傳感器，分析佩戴者的運(yùn)動情況，通過微型氣泵、便攜式鎳鎘電池及嵌入式微處理器，提供足夠的助力。該開發(fā)產(chǎn)品是專為護(hù)士研制，可使人的力量增加0.5~1倍。圖1“動力輔助服〞從2000年開始，美國開始從事“增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼〞工程的研究，美國政府出資數(shù)百萬美元研制新一代基于外骨骼的單兵作戰(zhàn)裝置，要求外骨骼系統(tǒng)具有的功能有：自身具有能源供給裝置；提供保護(hù)功能；集成大量作戰(zhàn)武器系統(tǒng)和現(xiàn)代化通訊系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)以及生命維持系統(tǒng)。同時(shí)，外骨骼裝備能承受高達(dá)噸級的重量；可不知疲勞的長距離行走，長時(shí)間高速運(yùn)動；外骨骼有足夠的強(qiáng)度，“刀槍不入〞；甚至將飛行能力也集成到外骨骼裝備上。根據(jù)研究方案要求，從事研究的單位主要有加利福尼亞大學(xué)伯克利分校機(jī)器人和人體工程實(shí)驗(yàn)室、OakRidge國家實(shí)驗(yàn)室、鹽湖城人體機(jī)能研究所、“千年噴氣機(jī)〞公司、SARCOS公司等?！扒陣姎鈾C(jī)〞公司研制的SoloTrekXFV外骨骼飛行器也屬于“外骨骼人體機(jī)能增強(qiáng)器〞單兵裝備系統(tǒng)的一個(gè)局部，它能使未來士兵真正做到健步如飛。伯克利分校機(jī)器人和人體工程實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)的美軍“伯克利下肢末端外骨骼〞(BerkeleyLowerExtremityExoskeleton，BLEEX)工程已經(jīng)成熟，這個(gè)裝置由背包式外架、金屬腿及相應(yīng)動力設(shè)備組成，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(qiáng)人體機(jī)能，能保證士兵在平面或斜面上行走，但該研究只到士兵腰部附近，負(fù)載掛在腰際附近的支架上，最大負(fù)載可達(dá)45kg，電源可持續(xù)20小時(shí)，在最大負(fù)載情況下，使用者的氧氣消耗量比自身負(fù)擔(dān)同樣質(zhì)量要少15%，伯克利分校批準(zhǔn)的第二代Bleex在零部件輕型化方面很有成效，所有電子線路和許多機(jī)械部件都容納在金屬管內(nèi)，但發(fā)電裝置影響到行走姿態(tài)。美國Sarcos公司研制的一種可佩戴的、能量自動化機(jī)器人到2005年時(shí)脫穎而出，其外骨骼機(jī)器人XOS顯著成功，其解決了全身式外骨骼控制，快速反響及流暢動作，可以使使用者輕松連續(xù)舉起和放下90kg的杠鈴，暫未考慮能量問題，其主要的控制原理是：XOS在精心挑選的位置設(shè)置力傳感器，但穿戴者移動肢體想要的摸一個(gè)動作時(shí)，但凡受力的傳感器立即通知中控電腦，然后通過電腦的高速計(jì)算外骨骼應(yīng)該采取何種動作來幫助使用者，根據(jù)計(jì)算記過，電腦指示恰當(dāng)位置的液壓元件移動活塞，完成動作，其中液壓元件有30個(gè)。缺陷在于能耗大，自帶的電池只能使用40分鐘。目前正在進(jìn)一步解決能耗問題，譬如應(yīng)用新開發(fā)的液壓元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓元件來降低能耗或者研制人造肌肉纖維取代液壓元件進(jìn)一步降低能耗，同時(shí)也簡化結(jié)構(gòu)。目前第二代的XOS2比之前的能耗量降低了50%，其加強(qiáng)型設(shè)計(jì)使使用者更快適應(yīng)周圍環(huán)境。美國sacros公司推出的XOS全身裝備30個(gè)液壓元件，每秒必須偵測受力狀況數(shù)百到數(shù)千次不等，并傳輸?shù)街袠须娔X，中樞電腦迅速完成運(yùn)算后立即下達(dá)指令到相關(guān)的液壓元件來完成動作圖2XOS外骨骼機(jī)器人防務(wù)巨頭洛克希德·馬丁公司已經(jīng)從美國陸軍手中接過一份價(jià)值110萬美元的合同，測試新一代“人類負(fù)重外骨骼〞〔HULC〕系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種模仿人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的外穿型機(jī)械骨骼，內(nèi)部配備有液壓傳動裝置和可像關(guān)節(jié)一樣彎曲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但能夠直立行進(jìn)，還可完成下蹲和匍匐等多種相對復(fù)雜的動作。HULC系統(tǒng)的動力源鋰聚合物電池。在一次充滿電后，HULC可保證穿著者以4.8公里/小時(shí)的速度背負(fù)90公斤重物持續(xù)行進(jìn)一個(gè)小時(shí)。而穿著外骨骼的奔跑沖刺速度可到達(dá)16公里/小時(shí)。新式的外骨骼系統(tǒng)裝備有更加先進(jìn)的軟件、更耐用的電池，并采用適用度更廣的設(shè)計(jì)。這種外骨骼系統(tǒng)可配備不同型號的裝甲鋼板、制冷/加熱系統(tǒng)和傳感器。雖然性能先進(jìn)，但HULC系統(tǒng)的控制并不復(fù)雜，無需通過操縱桿或其他機(jī)械裝置進(jìn)行控制，先進(jìn)的便攜式微型計(jì)算機(jī)可以讓這種外骨骼與士兵們的運(yùn)動保持協(xié)調(diào)一致，就像是一臺隨身攜帶的智能化“人體起重機(jī)〞。圖3HULC系統(tǒng)2023年，美國伯克利一家仿生技術(shù)公司以洛克希德-馬丁公司的HULC外骨骼模型為根底研制出的一種由電池提供動力的外骨骼系統(tǒng)，這種外骨骼系統(tǒng)可以助截癱患者以自然步態(tài)行走幫助截癱患者擺脫輪椅，自由行走。種外骨骼系統(tǒng)被命名為“eLEGS〞，由一個(gè)機(jī)械框架組成，機(jī)械框架通過拐杖進(jìn)行控制。拐杖中含有傳感器，向前移動右拐杖，那么左腿隨之向前移動，反之亦然。據(jù)該產(chǎn)品研發(fā)者伯克利仿生技術(shù)公司介紹，“eLEGS〞系統(tǒng)的電池能夠保證使用者行走一整天，電量用完后需要換下來充電。研究人員將HULC外骨骼進(jìn)行了改良，使得“eLEGS〞外骨骼使用起來更方便。在“eLEGS〞外骨骼上，有一個(gè)粘扣帶，一個(gè)背包式的夾子和肩部背帶，任何人都可以在一、兩分鐘內(nèi)迅速穿上或脫下。據(jù)伯克利仿生技術(shù)公司介紹，這種外骨骼很薄、很輕，操作起來很容易。圖4eLEGS外骨骼系統(tǒng)日本筑波大學(xué)Cybernics實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和工程師們，研制出了世界上第一種商業(yè)外骨骼機(jī)器人(HybridAssistiveLeg，HAL)，準(zhǔn)確地說，是自動化機(jī)器人腿：“混合輔助腿〞。這種裝置能幫助殘疾人以每小時(shí)4公里的速度行走，毫不費(fèi)力地爬樓梯，HAL機(jī)器腿的運(yùn)動完全由使用者通過自動控制器來控制，不需要任何操縱臺或外部控制設(shè)備。HAL由背囊、內(nèi)裝計(jì)算機(jī)和電池的一組感應(yīng)控制設(shè)備、4個(gè)電傳裝置(對應(yīng)分布在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩側(cè))組成。這種幫助人行走的外骨骼動力輔助系統(tǒng)，配備較多的傳感器，如角辨向器、肌電傳感器、地面?zhèn)鞲衅鞯龋袆恿︱?qū)動、測量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)和動力供給設(shè)備都裝在背包中，電池掛在腰部，是一個(gè)可佩戴的混合控制系統(tǒng)，根據(jù)生理反響和前饋原理研制的動力輔助控制器可以調(diào)整人的姿態(tài)，使其感到舒適。據(jù)美國《時(shí)代周刊》2006年8月14日報(bào)道,頸部以下癱瘓的日本殘疾人內(nèi)田靖史(SeijiUchida)在登山家朋友和HAL系統(tǒng)的幫助下,登上歐洲最頂峰-瑞士阿爾卑斯山海拔4164米的布來特峰。HAL已經(jīng)投入商用，但仍在不斷的改良中，如HAL-5系統(tǒng)〔第五代外骨骼系統(tǒng)，叫混合肢體輔助系統(tǒng)或HAL〕是一個(gè)全身套裝，目的是對肌肉萎縮或腦或脊髓功能損傷的人們在無人力援助的情況下進(jìn)行協(xié)助。圖5HAL-5系統(tǒng)美國克服外骨骼的開展上的技術(shù)問題而展開的軍事以滿足軍事用途；日本公司也一直在努力以商業(yè)用途開發(fā)外骨骼，特別是幫助殘疾人和老年人進(jìn)行日常生活和生活〔散步，爬樓梯，負(fù)載等〕。雙方在外骨骼方面開展的努力被認(rèn)為是成功的。近年來，國內(nèi)的研究也逐步在進(jìn)行，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)等也開始開展外骨骼式機(jī)器人的研究，浙江大學(xué)研制了一種可穿戴式的柔性外骨骼機(jī)械手，上海交通大學(xué)研制了外骨骼可穿戴式康復(fù)機(jī)器人。展望從技術(shù)上說，外骨骼機(jī)器人是從仿生的角度實(shí)現(xiàn)的一種機(jī)器人，其本質(zhì)是一種機(jī)器人。它可以賦予穿戴外骨骼的人局部或全部動物外骨骼所具有的功能，主要包括：支撐功能、保護(hù)功能、運(yùn)動功能、環(huán)境感知功能。區(qū)別于其他機(jī)器人，外骨骼機(jī)器人是“人在回路中〞的一個(gè)系統(tǒng)，其操作者也是控制系統(tǒng)中的一個(gè)組成局部，而且是人主機(jī)輔的控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，操作者是控制回路的中樞,處于信息的集成和決策的地位，而外骨骼那么處于數(shù)據(jù)采集扮演和執(zhí)行者的角色。盡管目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種外骨骼機(jī)器人，但與理想的外骨骼機(jī)器人還有一定的差距。譬如，外骨骼機(jī)械系統(tǒng)設(shè)