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外骨骼助力机器人研究概述 摘要：介绍了什么是助力机器人，以及助力机器人的发展历程，分析了当前外骨骼机器人存在的不足以及今后需要克服的技术难题，展望了未来外骨骼机器人发展的几个方向。 关键词：外骨骼 助力 机器人 控制单元 驱动方式 动力源 外骨骼助力机器人的发展历程 外骨骼助力机器人是一种针对人体助力的机器人，通过在人的体表附加带有驱动的外骨骼系统来增强人体的运动能力、扩大人体的运动范围。该领域的研究涉及机器人学、人体工程学、控制理论、传感器技术、信息处理技术、模式识别等。它能充分结合人类的智力和机器人的“体力”进行优势互补，强调人的智能参与到机器人的助力控制中，通过机器人来完成单靠人自身能力无法完成的任务，充分贯穿“以人为核心”的人机一体化技术。 上世纪60年代末期，美国和前南斯拉夫就开始研究人体外骨骼装置，美国研究这技术的最初目的是增强人的能力，往往是用于军事目的，而前南斯拉夫的目的是用来辅助残障人。尽管下肢外骨骼研究在其后经过一段时间的沉寂，但到20世纪末，下肢外骨骼机器人又重新得到世界各国的关注，美国、日本、俄罗斯、以色列、韩国、荷兰等国家都积极地投入到研究中。 下面分别介绍一些在外骨骼方面比较成熟的研究成果： Hardiman[1]是世界上第一个全身型外骨骼机器人，重达3 300 kg，包含30个自由度，其机械结构采用可穿戴重叠式外骨架结构(内、外两层外骨架结构)．由于体积和重量过于庞大、机械操作非常复杂，腿部难以进行协调运动，导致整个机器人系统不能实现无支撑的自主平衡运动．如图一 2、 2004年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼机器人BLEEX[2]是DARPA项目的第一台带移动电源和能够负重的下肢外骨骼机器人。BLEEX是高级防御研究工程机构设计出来的，尝试将自动机械支柱与人的双腿相连，以降低负重，从而使步兵能够在负载更重的情况下行进更长的路程。这套设备主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构，使用这种装置的人要通过传动带将自身的腿与机械外骨骼的腿相连，背上要背一个装有发动机、控制系统的大背包，背包中同时还留有承载有效载荷的空间。动力传动过程为：发动机-液压系统-外骨骼机构。该装置能平衡掉设备的自重（有50千克），使人穿着时无负载感觉，且控制系统将保证它的重心始终是在使用者的双脚上。该装置的背包中还可负载32千克重量。而对使用者而言，他则只感觉像是背了2千克一样。这种装置除了帮助士兵外，还可以协助医疗人员将伤员撤离开危险地区或使消防员能够携带很重的设备攀登上更多的楼层。美国芝加哥康复研究所的外骨骼机器人Lokomat。它主要由步态矫形器、先进的体重支援系统和跑步机组成，如图五所示。通过直接安装在动力装置上的力转换器增加了测量患者活动能力的功能，而且可以使步态援助水平得到调整，使导引力从零到最大范围进行调节，以 适应不同使用者腿的锻炼。此外，完整的生物反馈系统监测患者的步态并且提供即时视觉化的运动反馈以提高患者训练的积极性u引。 图 五 6、 中国网2010年9月29日报道 Raytheon（美国雷神公司）曾在三年前研发出一款名为Sarcos XOS的外骨骼机械装，日前他们公布了这款机械装的必威体育精装版升级版Sarcos XOS2。一旦穿上这套机械装，你就会变得看上去和《光环》系列游戏中的斯巴达士兵非常形似。而你的能力也将大幅强化，比如可以完成上千次俯卧撑却若无其事，轻而易举的举起重达200磅的物体，单手劈开厚达3英寸的木板，奔跑时速被限制在每小时3英里以内。 Raytheon表示这种装备是为美国陆军量身打造的，穿上后士兵们也不会觉得有什么额外的负担，照样可以很轻松的完成爬坡上坎、踢球等动作。第二代外骨骼机械装将比上一代更轻更快更强，同时更加省电50%，也更能适应环境的变化。Raytheon公司去年一年的收入高达250亿美元。如图六  图 六 Springwalker外骨骼能够像所有动物一样奔跑跳跃。借助于这种外骨骼，佩戴者的奔跑速度最快可达到每小时35英里(约合56公里)，跳跃高度可达到5英尺(约合1.52米)。被谋杀教授步行辅助设备这款步行辅助设备用于帮助少肌症患者恢复身体机能。少肌症可导致患者骨骼肌流失。之所以起“被谋杀教授”这个名字是因为这款步行辅助设备由美国弗吉尼亚理工大学被人枪杀的凯文·格拉纳塔教授研制。格拉纳塔早已经离开人世，但他研制的步行辅助外骨骼却仍在帮助着很多患者。Springwalker助力机器人 感知单元 感知单元是用来获取人体运动意图的信息，以及机器人的肢体的位置和受力信息。获取的信息应实时发送和反馈给计算机，从而使机器人做出相应的反应，最终达到人与机的完美结合。在外骨骼助力机器人控制