外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1.1國(guó)外外骨骼機(jī)器人研究現(xiàn)狀在國(guó)外，外骨骼機(jī)器人的技術(shù)研究開始的時(shí)間早于國(guó)內(nèi)，1960年代美國(guó)通用電氣公司就開始了機(jī)械外骨骼的研究，并開發(fā)了名為“Hardiman”的液壓電動(dòng)套裝[2]；在它的輔助下，測(cè)試者可以舉起120公斤的重物如同舉起5公斤一樣輕松，不過受當(dāng)年的軟硬件水平限制，這套裝備甚至重達(dá)700公斤，使得該項(xiàng)目最終失敗了[3]。時(shí)至今日，距離“強(qiáng)人”的失敗已經(jīng)過去五十年了，這期間處理器、傳感器、電動(dòng)機(jī)等一系列新技術(shù)都有了長(zhǎng)足發(fā)展，其技術(shù)水平早已今非昔比，這也使得美、日等國(guó)在外骨骼機(jī)器人技術(shù)研發(fā)上成績(jī)突出，甚至開始投入實(shí)際應(yīng)用。本章節(jié)將著重介紹負(fù)重下肢外骨骼機(jī)器人和康復(fù)型下肢外骨骼機(jī)器人的研究情況。1負(fù)重型下肢外骨骼機(jī)器人負(fù)重型外骨骼機(jī)器人顧名思義是以增加穿戴者負(fù)重能力為主要功能的外骨骼機(jī)器人，這一類外骨骼機(jī)器人主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，因?yàn)樗茱@著增強(qiáng)人的負(fù)載能力，使士兵在超負(fù)荷狀態(tài)下仍能活動(dòng)自如，在長(zhǎng)途步行行軍時(shí)幫助分擔(dān)沉重的作戰(zhàn)裝備的重量，有效降低負(fù)重感，減少行軍帶來的體能消耗。在作戰(zhàn)時(shí)，它還能增強(qiáng)士兵的力量，直接提高作戰(zhàn)能力。除了軍事用途外，這類外骨骼機(jī)器人還可用于重型工業(yè)和搶險(xiǎn)救災(zāi)等需要較大力量的場(chǎng)合中。目前國(guó)外有一部分外骨骼機(jī)器人的研究比較成功：美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)的BLEEX外骨骼，其外觀如圖1.1。BLEEX的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了液壓驅(qū)動(dòng)，整體自重約為50kg，非常沉重；它能保證穿戴者在負(fù)重35kg的情況下仍能以1.3m/s的速度持續(xù)行走約兩小時(shí)。在其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，研究人員為保證其與人體的耦合，每個(gè)機(jī)械腿均設(shè)計(jì)有7個(gè)自由度，其中有4個(gè)自由度被驅(qū)動(dòng)。機(jī)械腿采用仿人設(shè)計(jì)，支持各種動(dòng)作，包括下蹲、彎腰、扭腰、上下坡等多種常用動(dòng)作。并內(nèi)置了大量傳感器，包括壓力傳感器、角度傳感器等等，用于對(duì)外骨骼的精確控制?？梢哉f，BLEEX是第一款真正達(dá)到可以實(shí)際應(yīng)用程度的外骨骼機(jī)器人[4]。圖1.1BLEEX外骨骼圖1.2展示了洛克希德馬丁公司BerkeleyBiomimeticTechnology開發(fā)的HULC外骨骼。作為軍用外骨骼開發(fā)的外骨骼機(jī)器人旨在讓士兵的負(fù)重能力增加200磅（91公斤），并以10英里/小時(shí)的速度移動(dòng)。美軍要求它實(shí)現(xiàn)四項(xiàng)功能：增強(qiáng)進(jìn)攻能力、提高防護(hù)能力、提高機(jī)動(dòng)性、提高戰(zhàn)場(chǎng)意識(shí)。它有著與BLEEX同樣的優(yōu)點(diǎn)，甚至更加靈活，還能實(shí)現(xiàn)匍匐前進(jìn)之類的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作。機(jī)械結(jié)構(gòu)同樣是液壓驅(qū)動(dòng)，材質(zhì)采用鈦鋁合金，使得其重量不到30kg。官方試驗(yàn)顯示，穿戴HULC能顯著降低穿戴者的負(fù)重感，作為動(dòng)力源的鋰電池充滿電后可以保證穿戴者在負(fù)重90kg的情況下以4.8km/h的速度連續(xù)行走兩小時(shí)，而且需要緊急脫離時(shí)，僅需30s即可解除裝備[4]。圖1.2HULC外骨骼日本神奈川工學(xué)院設(shè)計(jì)的動(dòng)力輔助服PAS，其外觀如圖1.3所示，這款助力式外骨骼機(jī)器人被設(shè)計(jì)用于幫助護(hù)士照顧病人。護(hù)士力氣較小，難以單獨(dú)對(duì)體重較大或喪失行動(dòng)能力的病人進(jìn)行照顧。這款全身外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)于1991年，包含了肩膀、手臂、腰腿等人體結(jié)構(gòu)，以電池為動(dòng)力源，采用氣壓驅(qū)動(dòng)[5]。圖1.3PAS外骨骼美國(guó)機(jī)器人公司Sarcos的GuardianXO倍增力全身式可穿戴機(jī)器服在2020年的消費(fèi)電子展中展出，其外觀如圖1.3。這款外骨骼機(jī)器人被設(shè)計(jì)為工業(yè)機(jī)器人，一種電池供電的全身外骨骼，旨在通過機(jī)器人的強(qiáng)度和耐力來增強(qiáng)人類的智力和判斷力的表現(xiàn)，還有一定的防護(hù)功能。有了這款外骨骼幫助，穿戴者可以輕松舉起90公斤的重量，而感覺只舉了5公斤。測(cè)試表明，在GuardianXo的幫助下，工人在生產(chǎn)工作中的效率能提高4-10倍。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全電動(dòng)，續(xù)航長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)。GuardianXO具有24個(gè)自由度，使工作人員可以流暢地活動(dòng)。根據(jù)其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，出于安全原因，關(guān)節(jié)不會(huì)超出人類關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，且轉(zhuǎn)動(dòng)速度受到限制，但仍能讓這個(gè)龐然大物跑動(dòng)起來。圖1.4GuardianXO2康復(fù)型下肢外骨骼機(jī)器人此類外骨骼多用于傷員復(fù)健訓(xùn)練、輔助肢體殘疾人士正常行走，或幫助肌肉萎縮的老年人提供行走助力。由于現(xiàn)今殘疾人口數(shù)量大，人口老齡化嚴(yán)重，此類外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用空間非常廣闊。日本筑波大學(xué)的HAL外骨骼機(jī)器人，外觀如圖1.5所示。HAL是世界上第一款商用外骨骼機(jī)器人。第一代HAL外骨骼機(jī)器人研發(fā)于2002年，2005年已經(jīng)開發(fā)到了第五代。該外骨骼的設(shè)計(jì)目的是幫助老年人及下肢肌肉萎縮患者恢復(fù)正常行走能力。最新的HAL-5外骨骼機(jī)器人僅重約15kg，負(fù)重能力高達(dá)200kg，穿戴者幾乎不用力就能站立，并長(zhǎng)距離行走。HAL在控制方式上采用肌肉電信號(hào)來識(shí)別身體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，隨動(dòng)性好，但電信號(hào)采集精度容易受到環(huán)境的影響[6]。圖1.5HAL-5外骨骼以色列ReWalk公司設(shè)計(jì)制造的Rewalk外骨骼系統(tǒng)，外觀如圖1.6。它的設(shè)計(jì)者自身是一位四肢癱瘓者，所以這款外骨骼機(jī)器人是為殘疾人設(shè)計(jì)的；與許多外骨骼和假肢不同，經(jīng)過磨合訓(xùn)練后，Rewalk的先進(jìn)處理系統(tǒng)和檢測(cè)中心變化的精密傳感器可以讓用戶以熟悉的速度行走；這樣一來，這款外骨骼穿戴的舒適性便有了顯著的提高[7]。圖1.6Rewalk外骨骼系統(tǒng)1.2國(guó)內(nèi)外骨骼機(jī)器人研究現(xiàn)狀我國(guó)對(duì)外骨骼機(jī)器人的研究起步于2000年以后，相對(duì)外國(guó)來說起步較晚，但經(jīng)過近些年的高速發(fā)展，已經(jīng)有了比較成熟的理論體系和不少實(shí)物樣機(jī)。盡管相較國(guó)外我們還有較大的差距，但也取得了相當(dāng)不錯(cuò)的成績(jī)，具有宏大的發(fā)展前景。1負(fù)重型外骨骼機(jī)器人華東理工大學(xué)早在2008年就設(shè)計(jì)出了ELEBOT外骨骼機(jī)器人，鋰電池作為電源，采用液壓驅(qū)動(dòng)，靠力傳感器來反饋控制。此外，北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)等諸多國(guó)內(nèi)高校均有類似樣機(jī)的設(shè)計(jì)，此處不再贅述。近日中印邊境頻繁爆發(fā)沖突，從新聞中可以發(fā)現(xiàn)，我軍的邊防士兵都裝備了全新的單兵外骨骼。根據(jù)官方資料，這套外骨骼機(jī)器人的總重量?jī)H不到5公斤，可以使穿戴者負(fù)重70公斤，支持快速穿脫。這一裝備的投入使用，將會(huì)大大提高我國(guó)邊防戰(zhàn)士的生活訓(xùn)練條件和戰(zhàn)斗能力。圖1.7單兵外骨骼國(guó)內(nèi)還有很多類似的負(fù)重型外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品，其中不少已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，甚至有為外賣員設(shè)計(jì)的外骨骼，使其一次可以送一百斤?？梢娢覈?guó)在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域研發(fā)進(jìn)度的突飛猛進(jìn)。2.康復(fù)型外骨骼機(jī)器人近年來隨著醫(yī)療進(jìn)步，我國(guó)人口老齡化進(jìn)程加重，肢體殘疾人數(shù)量增加，康復(fù)型外骨骼機(jī)器人無疑是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，我國(guó)也為此出臺(tái)了不少優(yōu)惠政策，但外骨骼機(jī)器人的開發(fā)仍面臨著研發(fā)成本過高、市場(chǎng)不夠繁榮導(dǎo)致售價(jià)過高，進(jìn)一步致使用戶群體過少等諸多難題。國(guó)內(nèi)璟和公司研發(fā)的7自由度外骨骼Flexbot，其外觀如圖1.8。這款外骨骼機(jī)器人旨在恢復(fù)患者四肢的運(yùn)動(dòng)功能，國(guó)內(nèi)售價(jià)約100萬(wàn)元?？梢詾榛颊咛峁┎煌w位的康復(fù)訓(xùn)練，內(nèi)置了步態(tài)分析功能，已被許多康復(fù)中心采用。圖1.8Flexbot外骨骼參考文獻(xiàn)[SEQ參考文獻(xiàn)\*ARABIC1]劉恒,白澤楊,陳俊宇,李博皓,魏俏俏.康復(fù)外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探討[J].機(jī)電信息,2020(09):106-107+109.[SEQ參考文獻(xiàn)\*ARABIC2]陳法權(quán),樊軍.助力下肢外骨骼研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].機(jī)床與液壓,2020,48(20):155-160+151.[SEQ參考文獻(xiàn)\*ARABIC3]司訪,李鵬杰,李小奇,許國(guó)強(qiáng),張煜,葉冬雨.下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào),2021,42(02):254-260.[SEQ參考文獻(xiàn)\*ARABIC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