郭 慶，陳迎年

（華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200030）

近年來，中國(guó)老齡化社會(huì)程度不斷加深，老年人出行及病后健康訓(xùn)練均需要大量可穿戴外骨骼機(jī)器人的協(xié)助，同時(shí)在軍事領(lǐng)域也存在提高單兵裝備優(yōu)勢(shì)、保持軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力和節(jié)約能源的需求，而在民用領(lǐng)域也存在輔助人類托舉重物、提高殘疾人行走能力的需要，因此，可穿戴外骨骼機(jī)器人的發(fā)展無(wú)疑對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和國(guó)防均有著重要的意義。

可穿戴外骨骼機(jī)器人是通過仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)和控制學(xué)等學(xué)科的交叉融合發(fā)展而來的，其中包含了機(jī)械結(jié)構(gòu)、信息傳感和自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)，近年來已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[1]。本文從不同角度闡述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外可穿戴外骨骼機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)相關(guān)應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，討論當(dāng)前制約可穿戴外骨骼機(jī)器人發(fā)展的難點(diǎn)，最后對(duì)可穿戴外骨骼機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 國(guó)外可穿戴外骨骼機(jī)器人研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)及前南斯拉夫?qū)ν夤趋罊C(jī)器人的研究便已經(jīng)開展，美國(guó)進(jìn)行外骨骼機(jī)器人研究的目的是增強(qiáng)單兵能力，以更好地服務(wù)軍事，前南斯拉夫的目的則是用于輔助殘障人士的日常行走[2]。隨后，下肢外骨骼機(jī)器人得到了世界各國(guó)的關(guān)注，日本、俄羅斯、法國(guó)、加拿大和以色列等國(guó)家也紛紛加入下肢外骨骼機(jī)器人的研究之中。

1.1 歐美

2004年，在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的資助下，加州大學(xué)伯克利分校推出了其第一代單兵下肢外骨骼助力系統(tǒng)BLEEX[3]。該系統(tǒng)擁有2個(gè)擬人腿，單腿包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和彈簧等共同控制的7個(gè)自由度。該系統(tǒng)的質(zhì)量大約為45 kg，可載荷32 kg的重物，采用液壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，在這款下肢外骨骼機(jī)器人上創(chuàng)新性地大量集成各種傳感器，以實(shí)時(shí)獲取人體運(yùn)動(dòng)信息，最大限度貼合人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律[4]。該款下肢外骨骼機(jī)器人不僅可以幫助士兵搬運(yùn)重物，也可以輔助醫(yī)療人員轉(zhuǎn)移傷員或者輔助消防員攜帶消防設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，Kazerooni教授及其團(tuán)隊(duì)又開發(fā)出了“ExoHiker”和“ExoClimber”2款下肢助力外骨骼機(jī)器人。前者設(shè)計(jì)的目的是長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行任務(wù)攜帶重物，質(zhì)量14 kg，額定負(fù)荷680 N，采用液壓驅(qū)動(dòng)[5]；后者主要用于上樓梯和爬山，質(zhì)量約22.7 kg，額定負(fù)荷680 N，采用液壓驅(qū)動(dòng)[6]。

2007年，美國(guó)Sarcos公司研制出一款外骨骼機(jī)器人XOS，該型外骨骼機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)，質(zhì)量70 kg，可以在背負(fù)重物的情況下保持正常速度行走。而且該公司于2010年研發(fā)出XOS-2型全身外骨骼機(jī)器人，大幅提高負(fù)荷能力，采用外部電源供能[7]。2019年，該公司又推出一款用于快速搬運(yùn)貨物的外骨骼機(jī)器人GuardianXO，可以將佩戴者的力量放大近20倍，并可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映佩戴者的運(yùn)動(dòng)操作[8]。

2010年，伯克利仿生科技公司推出HULC下肢外骨骼助力系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有提高佩戴者的最大承重能力介于68~91 kg之間、降低佩戴者的代謝成本2大優(yōu)勢(shì)，采用電池驅(qū)動(dòng)，通過可以選擇配置的承載部件搭載約91 kg的負(fù)載，把重量均勻分布在承載系統(tǒng)上，使得不需要穿戴者來承重[9]。2017年，洛克希德·馬丁公司又推出一款下半身可穿戴膝關(guān)節(jié)助力外骨骼ONYX，該系統(tǒng)可以有效減輕佩戴者背部及腿部的負(fù)荷，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以有效協(xié)助佩戴者托舉重物或者在斜坡行走[10]。幾種外骨骼機(jī)器人如圖1至圖5所示。

圖1 BLEEX

圖2 ExoHiker

圖3 ExoClimber

圖4 XOS-2

圖5 HULC

2011年，法國(guó)RB3D公司研發(fā)的“大力神”外骨骼裝置質(zhì)量約17 kg，能夠托起60 kg的重物，系統(tǒng)采用動(dòng)力電池組供電，“大力神”突出的特點(diǎn)就是沒有采用任何傳感器記錄人體的運(yùn)動(dòng)信息，而是基于控制算法，使其了解佩戴者所表達(dá)的意圖并完成相應(yīng)的動(dòng)作[11]。2015年，加拿大仿生動(dòng)力公司研制出一種被動(dòng)式可穿戴外骨骼裝置PowerWalk，其最大的特點(diǎn)為能夠吸收膝關(guān)節(jié)彎曲的能量來進(jìn)行發(fā)電，極大地節(jié)省了進(jìn)行任務(wù)時(shí)的能源消耗[12]。2019年，加拿大渥太華大學(xué)開發(fā)了一種被動(dòng)步行輔助外骨骼機(jī)器人（PWAE），該系統(tǒng)由2個(gè)支撐腿及座椅框架組成，質(zhì)量約為5.68 kg，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，佩戴者在站立及行走時(shí)可以獲得較大的外骨骼額外支撐[13]。2020年，德國(guó)仿生學(xué)公司German Bionics推出第四代Cray X外骨骼機(jī)器人，并采用碳纖維設(shè)計(jì)與電池驅(qū)動(dòng)，通過在工人背上提供支撐使得工人在舉起重物時(shí)免受重物過度的壓力，進(jìn)而提高工人安全性與工作效率，在這款外骨骼機(jī)器人身上還創(chuàng)新性地運(yùn)用了集成云接口、物聯(lián)網(wǎng)等智能技術(shù)[14]。

1.2 日韓

2009年，日本筑波大學(xué)基于幫助健康人增強(qiáng)力量，開發(fā)出一種下肢運(yùn)動(dòng)輔助外骨骼（HAL）[15]。經(jīng)過多年發(fā)展，HAL外骨骼已經(jīng)發(fā)展至HAL-5版本，HAL-5的質(zhì)量約23 kg，其擁有8個(gè)可控關(guān)節(jié)，包括下肢關(guān)節(jié)與上肢關(guān)節(jié)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，值得注意的是該型號(hào)外骨骼采用肌電信號(hào)作為穿戴者運(yùn)動(dòng)信息的輸入控制信號(hào)，并通過電機(jī)控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)[16]。此外，近年日本還研究了幾款優(yōu)秀的外骨骼機(jī)器人，包括W.W.H-KH、Musclesuit等。

2014年，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)開發(fā)出一款外骨骼輔助機(jī)器人HEXAR，用于協(xié)助個(gè)人承擔(dān)重物，在髖關(guān)節(jié)利用恒力機(jī)制承擔(dān)上部外骨骼系統(tǒng)的重量，在踝關(guān)節(jié)承擔(dān)外骨骼系統(tǒng)的總重量，通過利用自身的彈性勢(shì)能為行走提供動(dòng)力[17]。2018年。韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)提出了負(fù)重型下肢膝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人，可以在膝關(guān)節(jié)伸展過程中進(jìn)行機(jī)械鎖定，并將載荷轉(zhuǎn)移到地面，并且還可以在膝關(guān)節(jié)處于擺動(dòng)階段時(shí)松開鎖扣，隨佩戴者運(yùn)動(dòng)[18]。幾種外骨骼機(jī)器人如圖6至圖10所示。

圖6 大力神

圖10 HEXAR

2 國(guó)內(nèi)可穿戴外骨骼機(jī)器人研究現(xiàn)狀

我國(guó)在可穿戴外骨骼機(jī)器人技術(shù)研究方面起步較晚、投入較少，與美國(guó)、日本仍存在較大差距，目前國(guó)內(nèi)研究仍處于關(guān)鍵技術(shù)突破與試制樣機(jī)階段，許多諸如機(jī)械、傳動(dòng)、傳感和控制等關(guān)鍵技術(shù)仍在研究與驗(yàn)證中，在外骨骼商業(yè)化應(yīng)用上發(fā)展緩慢。

2007年，海軍航空工程學(xué)院設(shè)計(jì)的NAEIES外骨骼采用電機(jī)和氣動(dòng)彈簧驅(qū)動(dòng)，并多次仿真研究裝置控制方法，當(dāng)前該型外骨骼機(jī)器人已發(fā)展三代，第三代由空氣彈簧和電纜電機(jī)驅(qū)動(dòng)，部分結(jié)構(gòu)由碳纖維制成，載重量較大，設(shè)計(jì)優(yōu)秀，可以完成上、下和蹲等動(dòng)作[19]。2008年，華東理工大學(xué)研制出ELEBOT外骨骼機(jī)器人，采用液壓驅(qū)動(dòng)，通過足底壓力傳輸信息和識(shí)別動(dòng)力傳感器信息獲取佩戴者行動(dòng)意圖[20]。2016年，北京工業(yè)大學(xué)的第三代負(fù)重外骨骼，由液壓驅(qū)動(dòng)，采用電池供電，可以在負(fù)載情況下完成上下樓梯、爬坡等動(dòng)作[21]。2016年哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了HIT-LEX外骨骼機(jī)器人，其與人體運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性較為出色[22]。2020年北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)了一款輔助下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的被動(dòng)下肢外骨骼，其有著較為出色的重力補(bǔ)償性能[23]。此外，還有中國(guó)兵器工業(yè)第二〇二研究所、航天18所等單位也在進(jìn)行著相關(guān)研究。

圖7 PWAE

圖8 Cray X

圖9 HAL-5

3 可穿戴外骨骼機(jī)器人發(fā)展難點(diǎn)

在軍事領(lǐng)域，針對(duì)提高單兵作戰(zhàn)需求，目前現(xiàn)有的軍用外骨骼系統(tǒng)綜合助力效果不明顯，單兵體能消耗并沒有得到有效減少，而且當(dāng)前可穿戴外骨骼機(jī)器人大多十分笨重，難以在較為復(fù)雜的地形環(huán)境下進(jìn)行有效移動(dòng)。另外，人機(jī)交互機(jī)制的不成熟造成穿戴舒適性、人機(jī)協(xié)同控制性較差。在民用領(lǐng)域，當(dāng)前外骨骼機(jī)器人有著難以完成較復(fù)雜的動(dòng)作、對(duì)于患者的主動(dòng)適應(yīng)性較差、實(shí)際應(yīng)用中信息提取與交互能力較弱、成本高昂和難以大范圍推廣等缺陷[24]。因此，當(dāng)前可穿戴外骨骼機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn)與難點(diǎn)可以概括為安全可靠的控制、穿戴者與裝備間的有效交互、裝置的主動(dòng)適應(yīng)性、裝備的輕量化、長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航及智能化等問題。

4 結(jié)束語(yǔ)

可穿戴外骨骼機(jī)器人要求系統(tǒng)具有高度的人機(jī)相容性與交互性，從科學(xué)研究的角度看，針對(duì)當(dāng)前可穿戴外骨骼機(jī)器人研究的技術(shù)難點(diǎn)與瓶頸，包括人機(jī)耦合、人體運(yùn)動(dòng)信息識(shí)別、自適應(yīng)性和安全控制等技術(shù)點(diǎn)仍需不斷突破，科研人員在新材料、新傳感和新驅(qū)動(dòng)等方面仍需展開深入研究，以完善外骨骼機(jī)器人的短板。從發(fā)展趨勢(shì)來看，可穿戴外骨骼機(jī)器人的輕量化、集成化、高效驅(qū)動(dòng)與同步控制具有非常廣闊的前景，目前在能源技術(shù)尚未突破的基礎(chǔ)上，完善控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使之更加擬人化與高效，對(duì)提高人機(jī)交互水平與適應(yīng)性有著良好的促進(jìn)作用，相信在社會(huì)多方努力下，定能推動(dòng)外骨骼機(jī)器人的產(chǎn)學(xué)研合作，加快外骨骼機(jī)器人在軍事、民生等領(lǐng)域的應(yīng)用。