下肢外骨骼助行机器人研究现状及发展趋势

Research Status and Development Trends of Lower ExtremityExOSkeIetOn Robot WalkerLIU Hui-yong ，ZHAO Qing(1.College of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guizhou Guiyang 550003，China；2.Colege of Civil Engineering and Architecture，Guizhou University，Guizhou Guiyang 550003，China)Abstract：With the improvement ofsc Me and technology and peopleS thirstfor enhance its OWl'S ability。the lower extremityexoskeleton robot walker has been the imponant research direction of molt-machine integrationat home and abroad。

AccordingtO the accumulation 0厂research work and investigation ofdocument data，the research staus ofthe lower extremityexoskeleton robot walker were summarized，and the key technology should be solved in the research of the lower extremityexoskeleton robot walker were analyzed，and the development trends of the lower extremity exoskeleton robot walker werepredicteK The resuhs indicate that there ale breakthrough in wearable，intelligent and ponab of the lower extremityexoskeleton robot walker， and the research and development in micro-energy ，lightweight portable materials， andmultifunction system should be strengthened，SO that it could be widely used in areas such as military，scientifc research，tourism，transportation，disaster relief，etc。

Key W ords：M an-Machine Integration；Lower Extremity；Exoskeleton；Robot W alkerl 引 百下肢外骨骼助行机器人是穿戴在操作者下肢外部的-种典型的人机-体化系统，综合了检测、控制、信息融合等机器人技术，将操作者的智力和机器人的体力”结合在-起，提供动力来辅助正常人的运动如行走、跑步、登山等，从而增强人们行走的能力和速度，缓解人在大负重和长时间行走的情况下极易出现的疲劳感， 此，可用于军事、科考、旅游、交通、救灾等各方面，具有广泛的应用前景 。

随着科学技术的进步和人们对于增强 自身能力的渴望 ，下肢外骨骼助行机器人现已成为国内外人机-体化”的-个重要研究方向，而越来越多的研究团队和机构从事下肢外骨骼助行机器人的研究，并取得了较多的研究成果。

首先总结下肢外骨骼助行机器人研究现状，然后分析下肢外骨骼助行机器人研制需要解决的关键技术，对下肢外骨骼助行机器人的发展趋势进行预测。

2下肢外骨骼助行机器人研究现状目前，国内外专家学者对下肢外骨骼助行机器人已进行了大量的研究。美国、日本在这方面已经取得了巨大的进展，设计出了多种类型的下肢外骨骼助行机器人，并逐步商业化。国内也有科研单位从事下肢外骨骼助行机器人的研究，基本处在实验室试制阶段，离实用还有-定的距离。下面简要介绍国内外的下肢外骨骼助行机器人研究现状。

2.1国外研究现状美国某电气公司研制出-款可穿戴的单兵装备 Hardiman，用于增强士兵的持重及负重能力，缓解士兵长距离负重行军引起的疲劳。穿戴者操纵内侧的外骨骼，由液压驱动的外骨骼对穿戴者来稿日期：2012-10-01基金项目：贵州省自然科学基金(黔科合 J字[2009]2234号)；贵州大学引进人才基金(贵大人基合字(2008)039号)；贵州省重大专项基金(黔科合重大专项字(2009)6003号 )作者简介：刘会勇，(1979-)，男，贵州遵义人，博士，副教授，主要研究方向：人机-体化智能系统第8期 刘会勇等：下肢外骨骼助行机器人研究现状及发展趋势 147提供助力，由于其体积巨大，采用主-从控制模式，非常不稳定，不安全而且只能代替人的-只手[6t。

麻省理工学院研制出-个外骨骼机器人 ，通过分析人体行走过程中动力学与运动学参数变化 ，调节外骨骼的弹簧与阻尼系数 ，从而达到助力的目的。实验结果表明，该装置能成功地支撑36kg的负载保持 lm/s的速度行走，在单腿摆动的过程中，能把80%的负载传递到地面171。后来，麻省理工学院研制的下肢外骨骼机器人，采用两条并行的负载路径将背包的重量直接传递到地面，而且具有足够的自由度减小穿戴者受到的约束 。

加州大学伯克利分校的人体工程实验室推出了BLEEX外骨骼系统。该系统由两条液压驱动的仿生机械腿、-个动力供应单元、-个用于负重的背包架、-台微型计算机和40多个传感器组成计算机根据使用者的动作计算出所需的力量分配，再调节仿生机械腿 ，将负荷重量合理分配到-对不锈钢钢架结构上，从而将负重者承担的压力减到最小 。

某公司和某分校共同研制了新-代外骨骼机器人 HULC，内部配备有液压传动装置和可像关节-样弯曲的结构设计，不但能够直立行进 ，还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作 ，无需通过操纵杆或其他机械装置进行控制01。

美国某研究公司成功研制出外骨骼机器人 XOS，通过检测系统和微机系统判断人的下个动作，从而决定加给人体多大的助力及速度，通过液压系统将力传给外骨骼机构。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，并输出强大的力量，穿上这套机械装，穿戴者的能力将大幅强化，可以完成上千次俯卧撑，轻而易举的举起200磅的物体，单手劈开3英寸厚的木板I。

某公司研制的-款单膝助力行走装置，通过实时对膝关节进行力矩补偿，促使四头肌处于松弛状态，并利用Series ElasticActuators实现低阻抗运动。后背有计算机系统和4kg的金属氧化物电池，足以保持系统在承载状况下使用(30～60)rain的能量。由于机械结构的限制，穿戴它时使用者无法实现坐下l21。

- 些科研人员研制的-种下肢外骨骼机器人IHMC，采用直流电机和齿轮构成旋转系列弹性执行器，并设计-个钢缆将齿轮箱的旋转运动转换成直线运动l31。

国外某大学研制出世界上第-种商业外骨骼机器人 HAL，由背囊、内装计算机和电池的-组感应控制设备、4个电传装置组成 ，HAL机器腿的运动完全由使用者通过 自动控制器进行控制，不需要任何操纵台或外部控制设备，是-个可穿戴的混合控制系统，根据穿戴者的生理反劳前馈原理研制的动力辅助控制器可以调整穿戴者的姿态。2005年，经改良后的 HAL-5在爱知世博会上亮相，工作原理和之前的HAL系列类似，只是增加了上肢助力部分41。

国外某机器人研究院在与筑波大学合作开发HAL-3的基础上研制成功-种助行器，助行器由鞋子，框架，座位三部分组成，随时都可以当做椅子休息，可以支撑人的-部分体重，减少人的身体对腿部的负荷。不仅可以用来帮助老年人行走，还可以用于帮助某些工种的工人提高工作效率。目前该助行器已作为助力产品销售，获得了实际应用旧。

国外某大学研制的外骨骼机器人-动力辅助服(PowerAssist Suit)，使用肌肉压力传感器实时分析和预判穿戴者的运动意图，并通过气压传动装置使得穿戴者的力量增加(0.5-1)倍J61。

国外除以上研究外 ，还有其他研究机构从事下肢助行机器人的研制开发。如-些大学所研制的下肢助力机器人亦主要用于实现助力、助行和康复治疗等功能。尽管这些智能助力系统的机构构型、自由度数目以及驱动关节数 目和布位有所不同，但总体上均采用了拟人体下肢的仿生结构设计；增力型的系统在控制上则采用了与BLEEX和 HAL系列下肢助力机器人相同或相近的控制策略。

2.2国内研究现状中科院合肥智能机械研究所研制的下肢步行助力外骨骼机器人双下肢共有 12个 自由度，髋关节及膝关节屈伸为主动关节，共由d个伺服电机驱动。为感知助力腿的运动状态，在每条助力腿与人体下肢大小腿的接触部位安置了2个二维力传感器，足底安置了3个-维力传感器，并通过电机编码器获得髋、膝关节的运动信息。

在控制上采用了基于多维力信息预测人体运动意图，结合关节信息判断助力腿当前状态，并通过调整人-机接触部位假想质量、假想弹性和阻尼实现柔顺控制l7- 。

某大学研制的下肢外骨骼助力机器人对每条腿来说 ，髋关节有二个自由度，膝关节和踝关节则各有-个 ，可以实现大腿的屈伸和回旋，以及小腿和脚的屈伸等功能。该下肢外骨骼助力机器人采用气动系统设计 ，在驱动器的芭位置方面，按照下肢代表性肌肉在人腿上的相对位置，将其布置在外骨骼相应的位置上，即分别布置-个双作用直线驱动器，利用其来模拟相应关节处屈纪伸肌所产生的屈伸运动，从而带动相应的外骨骼结构绕髋关节和膝关节处的旋转运动副产生模仿人体的肢体运动，进而生成-定的步态。此外，外骨骼在结构设计上体现了身材兼容I生，外骨骼的大腿杆和小腿杆长度、连接两条腿的腰部结构的宽度可调节日。

某大学研制了气动助力机械腿驱动控制方式采用了典型的气动肌肉双侧差动控制关节转动，采用 4根气动肌肉分别布置在髋关节和膝关节两侧。该机构中髋关节、膝关节两个 自由度能够帮助实现髋关节和膝关节的转动㈣。

某工程学院研制的能量辅助骨骼服 NAEIES采用上肢控制下肢的原理，通过测量上肢的运动信息 ，控制下肢膝关节的运动，而下肢髋关节的运动则通过气弹簧来巧妙地实现，良好的实现了骨骼服在承载的同时，跟踪人的行走步态120l。

某理工大学研制的下肢外骨骼机器人 ELEBOT采用液压驱动，液压系统和控制器装在背包里，大腿和小腿的相对运动是通过安装在膝关节处的液压缸实现的。在特制的鞋底安装有压力传感器21]。

此外，国内还有其他高校和科研院所开展下肢助力外骨骼机器人的研究。如-些大学等对下肢康复外骨骼机器人进行了研究。但是在研究的深度和广度上，与国外相比还有相当的差距。

l48 机械 设 计 与制造No.8Aug.20133下肢外骨骼助行机器人关键技术下肢外骨骼助行机器人是穿戴在操作者下肢外部的-种典型的人机-体化系统，其实现与机器人技术 、控制技术、信息融合、机电工程、能源技术、驱动技术和材料技术等学科的发展密切相关，离实用化还需要跨越很多障碍。主要有以下-些关键技术：(1)结构的合理设计。下肢外骨骼助行机器人要具有良好的可穿戴性，其机械结构和自由度分布应与人体运动关节结构和自由度相匹配，同时还应该能够非常方便地根据不同穿戴者的体形和身材进行调节，以便使人穿戴舒适、操作灵活、最大限度地拓展人的活动范围。

(2)驱动的高速高效。由于下肢外骨骼助行机器人要承受穿戴者及其自身的重量，并且应与穿戴者动作保持-致 ，其驱动器应满足小体积、轻便、低功耗 、大功率输出等要求，同时还应具有响应快、低惯性、高精度和高安全性等性能。

(3)能源的自身供给。下肢外骨骼助行机器人要实现可移动性，其能源必须能够实现自给，满足体积孝重量轻、清洁、环保、效率高等要求。

(4)材料的优质轻便。由于下肢外骨骼助行机器人是穿戴在人身上和人-起运动，其材料必须要求非常轻便，同时必须具有足够的强度和韧性，以承受人体和重物的重量以及与地面的碰撞。

(5)控制的柔顺智能。下肢外骨骼助行机器人要实现和穿戴者的统- ，使二者之间的互相干涉作用最小 ，其控制必须要求具有柔顺性 ，还必须具有高度智能，可以根据穿戴者的运动意图来适时提供助力。

4下肢外骨骼助行机器人发展趋势现有的下肢外骨骼助行机器人还存在驱动方式效率低 、能源重且低效、体积大、与穿戴者的协调性低等问题。随着机器人技术及其它相关学科的不断发展，给下肢外骨骼助行机器人技术带来了新的发展方向和活力，其未来发展呈现出以下趋势。(1)人机智能；(2)轻量便携；(3)高效可靠；(4)安全稳定 ；(5)功能多样。

5结论(1)下肢外骨骼助行机器人可用于军事、科考 、旅游、交通、救灾等各方面等领域 ，它作为人机-体化”领域的重要研究方向，在我国虽然已经取得了长足的进展 ，但是与国际先进水平仍然存在很大差距，其发展对提高我国人机-体化水平具有重要的理论意义和应用价值。

(2)近年来，随着机器人技术、控制技术、信息融合、机电工程、能源技术、驱动技术和材料技术等学科的发展，下肢外骨骼助行机器人在穿戴性、智能化以及便携性等方面都有了突破性的发展。

(3)下肢外骨骼助行机器人的研制带动了材料、控制、能源等技术的进-步发展，机器人技术也 日趋成熟。我国对于下肢外骨骼助行机器人的研究起步比较晚，虽然已经研制出-些原型试验样机，但是还应当加强对微型能源 、轻质便携材料、多功能系统等的研究和开发。