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user: 2. 国内外研究现状 作为机器人领域的一个分支，外骨骼机器人近些年得到了国内外越来越多学者的关注，由于美国和日本的学者起步较早，在这方面取得了巨大的进展，已经研发出了多种类型的外骨骼机器人，并逐步开始商业化；国内也有一些机构开展了这方面的研究，但由于起步较晚，目前多数处于实验室研究阶段，距离实际应用还有很大差距。 2.1. 国外研究现状 外骨骼机器人的研究起始于二十世纪六十年代，美国军方率先进行外骨骼机器人(Exoskeleton Robot)的研制，通用电气研究中心和Cornell University开始合作研制第一款全身外骨骼机器人Hardiman，它重达680 kg，具有30个自由度，通过液压驱动。由于Hardiman体积过于庞大，系统不稳定，该项目并未取得成功，但它对以后外骨骼机器人的研究打下了基础。通过这个项目，研究人员发现外骨骼机器人研发过程中要解决的一系列问题，如能量供应、人机协调以及舒适性等问题。近年来，外骨骼机器人在传感技术、材料技术、驱动技术等带动下得到了快速发展。从2001年开始，美国国防部高级计划署(DARPA)投资两千万美元开展了一项旨在增强士兵负重能力的项目——“增强人体力量外骨骼(EHPA)”。在这个项目的资助下，美国相继出现了加州大学伯克利分校的BLEEX外骨骼Sarcos公司的系统，MIT的类被动骨骼服，能帮助残疾人以4 km/h的膝关节和髋关节处的电机驱动器，时速行走，并较轻松地上下楼梯等一系列成果。现在世界范围内有很多组织机构都在从事外骨骼机器人的研究工作，并且已经有一些成功的外骨骼机器人问世。 2004年加州大学伯克利分校人体工程与机器人技术实验室(HEL)，开发的“伯克利下肢外骨骼”(BLEEX)，可谓是目前已公开的、在军事应用方面技术最领先的外骨骼系统，如图2所示。整个机器人系统包括：机械本体(两条助力仿生腿)、传感系统、控制系统、驱动系统以及用于放置负载的背包等。BLEEX按照仿生学设计，同人腿一样每条腿具备7个自由度，除了膝关节只有1个自由度外(矢平面单一旋转)，髋关节和踝关节各3个。BLEEX重量达到45 kg，而穿戴者仅能感觉到2 kg左右的重量，这款机器人可以帮助穿戴者承受34 kg的负载，超过这个范围时，多余的负载由穿戴者自己承担，穿上它无负载时行进速度可以达到1.3 m/s，满负载时行走速度可以达到0.9 m/s。BLEEX能够保持自身稳定，但在行走过程中需要穿戴者提供一个前向引导力，利用加速度传感器和编码器测量每个关节的运动学信息(位移，速度，加速度等)；脚底压力传感器则可以判断步态和重心位置，这些传感器组成了一个信息网络，控制系统对这些信息进行综合，计算分配给每个关节的力量，进而带动助力腿运动，整个系统不需要操纵杆和开关，机器人与穿戴者可以做到高度融合。 图2. BLEEX外骨骼机器人 图3. HULC外骨骼机器人 尽管BLEEX机器人性能指标上都很优秀，但体积笨重而且负重能力无法满足军方需求，随后加州大学伯克利分校与The lockheed Martin公司合作对第一代BLEEX进行改进，推出第二代外骨骼机器人HULC (Human Universal Load Carrier) [ 6 ]，如图3所示。同BLEEX相比，HULC的灵活性非常强，穿戴它的士兵可以轻松地奔跑、行走、下跪、深蹲、匍匐等复杂动作。此外HULC使穿戴者能够轻松携带重物，辅助士兵并增强其在战场上的负重能力和持久作战能力，并且以4.8 km/h的速度连续行走60分钟左右，而最大行进速度则可以达到16 km/h。2012年5月洛克希德公司宣布其研制的最新一代外骨骼续航能力达到8小时。 在EHPA项目的支持下，美国SARCOS公司也对外骨骼机器人进行了研究，它的最终目标和BLEEX一样，也是为了增加穿戴者的速度及力量，尽量降低穿戴者背负重物时需要的能量消耗。经过7年的研究于2008年通过展览推出了一款能够增强士兵全身力量的外骨骼机器人XOS [ 7 ] [ 8 ]，如图4(a)所示，在2011年，雷神SARCOS发布了其开发的军用外骨骼的最新升级版Sarcos XOS2，通过高压液压驱动，与第一代相比，质量更轻、速度更快，如图4(b)所示，更重要的是耗电量降低了50%。士兵穿上这款外骨骼，能力得到显着提升，可以轻松完成上千次俯卧撑，可搬运超过100千克重物的机械“外骨骼”。 图4. XOS系列外骨骼机器人 为了帮助护士照料无法行走或者体重较大的病人，日本神奈川工科大学的学者研制出全身型的动力辅助服PAS (Power Assist Suit) [ 9 ] [ 10 ]，如图5所示，穿上它护士可以轻松地用手举起病人。PAS包括腕部、肩部、后背以及腿部等单元，其中在腕部、肩部和腿部髋关节和膝关节处安装有气动旋转驱动器，这种驱动方式结构简单、重量轻，非常适合做充电，更重要的是易实现平滑运动。穿戴者身体运动时通过安装在穿戴者皮肤表面的肌肉硬度传感器——压力感应电阻FSR (Force Sensing Resistance)来检测穿戴者的运动意图，关节角度信息可以通过安装的电位计获知，驱动力矩则可以根据关节的角度信息求出。PAS外骨骼机器人最大的特点是在穿戴者躯干前部没有任何机械单元，从而方便护士和病人进行身体接触，保证了病人的安全性和舒适性。东京农工大学的研究人员研制了一款帮助老年农民农业生产的机器人Agri Robot [ 11 ] [ 12 ]，如图6所示，这款机器人自重26千克，其中肩关节、腕关节、髋关节、膝关节以及腰部均为主动关节，采用超声电机作为驱动单位，可以使穿戴者轻松举起20千克的重物。这款机器人通过口令即可实现不同的动作，从简单到复杂，由于电池和控制系统都安装在背部，机器人是独立的个体，便于移动。这款机器人主要的挑战是太显笨重，需要尽可能降低自身重量，其研究人员期望将其重量降到10千克以下，于2012年投入实用。 图5. PAS外骨骼机器人 2.2. 国内研究现状 国内由于开展外骨骼机器研究起步较晚，仅有少数高校和科研机构从事外骨骼机器人的研究。中科院合肥智能机械所的余永等人 [ 13 ] 在国家863项目的支持下从2004年起开展外骨骼机器人的研究工作，他们提出了基于人体腿部以及脚底压力传感器信息和关节角度传感器信息来判断人体运动趋势，样机如图7所示，该设计可以实现外骨骼机器人与人体下肢协调运动互不干涉，但是其提供的助力效果十分有限。浙江大学的杨灿军 [ 14 ] 团队研发了采用气动作动器的下肢外骨骼机器人，提出了基于脚底压力传感器信号来判断人体运动意图的自适应模糊神经网络(ANFIS)理论，并研制出了样机如图8所示。在机械本体上与中科院合肥智能机械研究所的外骨骼机器人相似，只是在单腿髋关节、膝关节采用气缸驱动，通过将前脚掌和后脚跟处采集到的压力信号作为步态规划层的输入信号，经过模糊推理控制器生成各个关节驱动器的位移信号，从而实现机器人助力运动，其它各类型外骨骼机器人情况分析如表1所示。 图6. Agri Robot外骨骼机器人 图7. 中科院合肥所研制的外骨骼机器人 图8. 杨灿军团队研发的外骨骼机器人 Table 1 Features of various exoskeleton robot 外骨骼名称 主要使用者 主要传感器 特点 BLEEX 劳动者 Motor Encoder 驾驶员身上没有放置senor高灵敏度，低稳定性。 XOS 士兵 Two-dimension force sensor XOS动作灵敏度要远高于其它外骨骼，紧贴身体表面的 传感器能直接感应到穿着者的动作幅度和力度。 Rewalk [ 15 ] 下半身瘫痪者 Tile Sensor 必须使用拐杖来平衡姿态。 HAL [ 16 ] 行动不便者 EMG 可直接测量到使用者意图。 1-DOF exoskeleton [ 17 ] 行动不便者 Torque Sensor 利用inertia compensator 让穿戴者感受不到骨骼机器人的惯性。 WPS 行动不便者 Torque Sensor 用被动组件弹簧来测量力矩。 穿戴式机器人 动能供应模块 行动不便者 None Sensor 纯粹使用被动式机构(凸轮，链条，汽缸)来辅助行走，无电力。 表1. 多种外骨骼机器人特点比较 目前下肢外骨骼机器人的趋势为模块化、轻量化跟降低制造价格，并且让下肢外骨骼机器人在移动上更为平顺跟舒适。表一为整理在上述的相关研究中，对应不同使用者跟用途的下肢外骨骼机器人。本研究中将参考BLEEX的控制架构为主要控制器架构，因为BLEEX并没有装置传感器在用户上，而是使用电机Encoder来建立动态方程式来测量使用者的意图。这种控制架构可以减少使用较昂贵的传感器(如：EMG或力矩传感器)进而减低制作成本。另外本项目参考1-DOF Exoskeleton for Knee Flexion and Extension及RSEA [ 17 ] 中所提出的消除由重力产生的惯性的方法，使得使用者可以不用负担因为机构所造成的重力影响让使用者可以行走的更为顺畅。另一方面，Toshio Fukuda [ 18 ] 提出利用手杖来达成辅助走的研究，本项目参考其设计理念希望可以让由下肢外骨骼机器人达到更好的效果。最后搭配压力传感器来估测使用者的行走状态，并对于使用者平衡状态来进行修正。而下肢外骨骼机器人的机构部分将参考穿戴式机器人动能供应模块的轻量化，模块化的设计理念。