外骨骼機(jī)器人研究發(fā)展綜.docx

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現(xiàn)代機(jī)器人所具有的機(jī)械動(dòng)力裝置使得機(jī)器人可以輕易地完成很多艱苦的任務(wù)，比如舉起、搬運(yùn)沉重的負(fù)載等。雖然現(xiàn)代機(jī)器人控制技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，還遠(yuǎn)達(dá)不到人的智力水平，包括決策能力和對(duì)環(huán)境的感知能力。與此同時(shí)，人類所具有的智能是任何生物和機(jī)械裝置所無(wú)法比擬的，人所能完成的任務(wù)不受人的智能的約束，而僅受人的體能的限制。因此，將人的智能與機(jī)器人所具有的強(qiáng)大的機(jī)械能量結(jié)合起來(lái)，綜合為一個(gè)系統(tǒng)，將會(huì)帶來(lái)前所未有的變化，這便是外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想。外骨骼機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是一種可穿戴機(jī)器人，穿戴在操作者的身體外部，為操作者提供了諸如保護(hù)、身體支撐等功能，同時(shí)又融合了傳感、控制、驅(qū)動(dòng)、信息融合等機(jī)器人技術(shù)，使得外骨骼能夠在操作者的控制下完成一定的功能和任務(wù)。本文通過(guò)介紹外骨骼機(jī)器人的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀進(jìn)一步分析了外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)其技術(shù)難點(diǎn)以及發(fā)展前景作了說(shuō)明，以期在全面認(rèn)識(shí)外骨骼機(jī)器人基礎(chǔ)上對(duì)其開(kāi)展進(jìn)一步深入研究。  1. 發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 1.1國(guó)外發(fā)展歷史現(xiàn)狀 外骨骼系統(tǒng)的最早研究始于20世紀(jì)60年代。1962年，美國(guó)空軍就要求康奈爾航空實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一項(xiàng)采用主從控制方式的人力放大器系統(tǒng)的可行性研究。從1960年到1971年，美國(guó)通用電器公司開(kāi)始研發(fā)一種基于主從控制 的外骨骼原型機(jī)，名字叫做“Hardiman”，如圖1所示。 Hardiman采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，可以像舉起10磅那樣來(lái)舉起250磅的重物。但是，由于技術(shù)的限制，導(dǎo)致Hardiman的體積和重量過(guò)大，無(wú)法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，慢慢停止了發(fā)展。同時(shí)期進(jìn)行外骨骼研究的還有貝爾格萊德大學(xué)的Vukobratovic等人，他們的研究主要用于輔助下肢癱瘓患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)。盡管只實(shí)現(xiàn)了部分運(yùn)動(dòng)形式，但是研究過(guò)程中得到的平衡算法在雙足步行機(jī)器人中得到了廣泛應(yīng)用。 隨后盡管人體外骨骼機(jī)器人經(jīng)歷過(guò)一段時(shí)間的沉寂，但到20世紀(jì)末，由于傳感技術(shù)、材料技術(shù)和控制技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展和各種軍事、民用需求的凸顯使得人體外骨骼機(jī)器人再次進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段，美國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)均針對(duì)人體外骨骼機(jī)器人開(kāi)展了大量的研究工作。 2000年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA)在出資五千萬(wàn)美元用于資助對(duì)能夠增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼(EHPA )的研究與開(kāi)發(fā)， 研制一種穿戴式的， 具有自適應(yīng)能力的外骨骼系統(tǒng)，使士兵在穿著外骨骼后，行軍能力大大提高。DARPA的該項(xiàng)目資助了多家研究機(jī)構(gòu)，主要有加利福尼亞大學(xué)伯克利分校機(jī)器人和人體工程實(shí)驗(yàn)室、Oak Ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、鹽湖城人體機(jī)能研究所、“千年噴氣機(jī)”公司、SARCOS公司等。其中伯克利分校、SARCOS公司和麻省理工學(xué)院展示了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其他單位則在傳感驅(qū)動(dòng)人機(jī)界面生物力學(xué)人因測(cè)試等方面進(jìn)行了分析與實(shí)驗(yàn)。 圖2 伯克利的BLEEX 2 0 0 4年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼機(jī)器人BLEEX是DARPA項(xiàng)目的第一臺(tái)帶移動(dòng)電源和能夠負(fù)重的下肢外骨骼機(jī)器人。如圖2所示 BLEEX由一個(gè)用于負(fù)重的背包式外架、兩條動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的仿生金屬腿及相應(yīng)動(dòng)力設(shè)備組成，使用背包中的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和箱式微型空速傳感儀作為液壓泵的能量來(lái)源， 以全面增強(qiáng)人體機(jī)能。BLEEX 的每條腿具有7個(gè)自由度 (髖關(guān)節(jié)3個(gè)， 膝關(guān)節(jié)1個(gè)， 踝關(guān)節(jié)3個(gè))，在該裝置中總共有40多個(gè)傳感器以及液壓驅(qū)動(dòng)器，它們組成了一個(gè)類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)。BLEEX的負(fù)重量能達(dá)到75kg， 并以0.9m / s的速度行走，在沒(méi)有負(fù)重 的情況下，能以1.3m / s的速度行走。然而B(niǎo)LEEX由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜能量消耗大操作者長(zhǎng)時(shí)間使用很不舒服因此未獲得ＤＡＲＰＡ第二階段的資助。BLEEX雖然未獲得進(jìn)一步的資助但是Kazerooni教授和他的學(xué)生成立了伯克利仿生公司爭(zhēng)取吸引風(fēng)險(xiǎn)投資并對(duì)骨骼服技術(shù)進(jìn)行市場(chǎng)化運(yùn)作設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了更加輕便簡(jiǎn)潔實(shí)用的HULC（human universal load carrier）如圖３所示 ： 圖3 洛克希德馬丁公司的HULC HULC被著名的武器承包商洛克希德－馬丁公司收購(gòu)。HULC質(zhì)量為24kg（不含電池）兩塊電池質(zhì)量為3.6kg。士兵穿戴上HULC之后能夠額外負(fù)重91kg，是BLEEX系統(tǒng)負(fù)重能力的3倍。電池可供以５km/h的速度連續(xù)行走3h。速度峰值可達(dá)到16km/h?？梢哉f(shuō)HULC是最接近實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的一款骨骼服。目前正在進(jìn)行進(jìn)一步的集成開(kāi)發(fā)同時(shí)進(jìn)行部隊(duì)的演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。 圖4雷神公司的XOS-2 雷神公司在收購(gòu)了參與EHPA項(xiàng)目的SARCOS公司后，也推出了其研制的第一代全身型人體外骨骼機(jī)器人XOS。XOS能夠在背負(fù)68 kg且手持23kg的負(fù)荷時(shí)以1.6 m /s的速度行進(jìn)，并可實(shí)現(xiàn)彎腰下蹲和跪地等動(dòng)作。2010年第二代XOS機(jī)器人問(wèn)世，如圖4所示。 第二代XOS人體外骨骼機(jī)器人的能耗較第一代降低了一半，而且較第一代具有更強(qiáng)的負(fù)重能力，系統(tǒng)的靈敏度和響應(yīng)速度進(jìn)一步提升。但其缺陷在于能量消耗依舊較大，至今仍依賴地面供電。 總之美國(guó)的骨骼服以軍事應(yīng)用為背景資助力度大資助范圍廣對(duì)骨骼服各個(gè)方面的研究最為深入呈現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)，研究水平居世界前列。 圖 5筑波大學(xué)的HAL-5 日本是當(dāng)仁不讓的機(jī)器人技術(shù)強(qiáng)國(guó)，但是骨骼服的軍事意義相當(dāng)明顯，因此日本主要從骨骼服的民事應(yīng)用入手在助殘護(hù)理勞動(dòng)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)趋婪归_(kāi)了廣泛的研究，成績(jī)顯著。日本筑波大學(xué)于2004年推出了世界上第一款商業(yè)人體外骨骼機(jī)器人(HAL)，當(dāng)前已發(fā)展到第五代助力機(jī)器人HAL-5，如圖5所示。 HAL-5是一種全身型助力機(jī)器人，其特點(diǎn)在于通過(guò)遍布全身的肌電傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的采集，并通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各關(guān)節(jié)的助力。HAL-5重約15kg，其能源供給裝置小巧，使用時(shí)間長(zhǎng)，但是由于使用了肌電傳感器導(dǎo)致其穿戴復(fù)雜，且易受干擾，目前僅用于民用領(lǐng)域。 除此之外，日本神奈川理工學(xué)院研制的采用氣壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力輔助服和本田公司采用非擬人設(shè)計(jì)的助力機(jī)械腿也已經(jīng)進(jìn)入樣機(jī)制造階段。 國(guó)外其他國(guó)家的人體外骨骼機(jī)器人研究：俄羅斯目前研制出了一款戰(zhàn)士-21 的單兵作戰(zhàn)服，其能夠讓士兵攜帶重物飛奔，且能夠在電力耗盡時(shí)迅速脫下； 法國(guó)防務(wù)公司與法國(guó)武器裝備總署聯(lián)合研制了名為 “大力神”的協(xié)同可穿戴式外骨骼機(jī)構(gòu)，旨在使穿戴者能夠輕松攜帶100 kg重物，其電池可使穿戴者以4 km /h的速度行進(jìn)大約20 km。同時(shí)，韓國(guó)、意大利及新加坡等國(guó)家也有相關(guān)方面的研究，但由于均沒(méi)有進(jìn)行公開(kāi)演示，故相關(guān)資料較少。 1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展歷史現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展人體外骨骼機(jī)器人研究的主要有浙江大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、華東理工大學(xué)及中國(guó)北方車輛研究所等大學(xué)和研究所。浙江大學(xué)主要進(jìn)行人機(jī)耦合的層次式控制框架的研究，并設(shè)計(jì)完成了一種基于氣動(dòng)的外骨骼機(jī)器人樣機(jī)。中國(guó)科技大學(xué)在人體外骨骼機(jī)器人的姿態(tài)感知及控制方法方面展開(kāi)了大量研究，在相關(guān)姿態(tài)傳感器方面獲得了不少成果。華東理工大學(xué)也在做相關(guān)方面的研究，已完成了一套液壓驅(qū)動(dòng)的實(shí)物樣機(jī)。中國(guó)北方車輛研究所在人體外骨骼機(jī)器人的計(jì)算機(jī)虛擬建模及仿真方面做了深入研究，并在行走助力機(jī)器人用小型液壓缸設(shè)計(jì)等方面有所突破。 此外還有很多機(jī)構(gòu)也展開(kāi)了相關(guān)研究，如： 海軍航空工程學(xué)院對(duì)基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了研究； 北京工業(yè)大學(xué)在助力機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了一定研究。 總體來(lái)看，由于國(guó)內(nèi)在人體外骨骼機(jī)器人研究方面起步較晚，大多處于理論研究階段。 同時(shí)由于資金支持力度較小，所設(shè)計(jì)的實(shí)物樣機(jī)也均略顯粗糙。  2. 關(guān)鍵技術(shù)分析 外骨骼機(jī)器人從功能上看可分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)：機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力輸出及執(zhí)行系統(tǒng)、姿態(tài)感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。根據(jù)美國(guó)和日本對(duì)人體外骨骼機(jī)器人的研究成果，并結(jié)合在進(jìn)行外骨骼機(jī)器人各系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，探討外骨骼機(jī)器人各系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)。 2.1外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 外骨骼要求良好的穿戴性和操作舒適性，這對(duì)外骨骼的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了具體的要求。 首先，外骨骼的設(shè)計(jì)必須在充分體現(xiàn)仿生學(xué)和人體工程學(xué)的基礎(chǔ)上，盡量采用擬人化的設(shè)計(jì)手段。這一點(diǎn)不僅應(yīng)該體現(xiàn)在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，而且還要體現(xiàn)在目標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)上。一 方面，外骨骼的結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡可能的模擬真實(shí)的人體下肢，特別是在各個(gè)關(guān)節(jié)的布置和自由度的分配上；另一方面，外骨骼上驅(qū)動(dòng)元件的布置也要參考人體下肢內(nèi)主要的代表性肌肉的分布，從而模擬人體行走過(guò)程中這些肌肉的相應(yīng)功能。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)元件和傳感器件的數(shù)量也要盡可能少，以達(dá)到增加系統(tǒng)魯棒性和降低系統(tǒng)成本的目的。只有在滿足這些條件的前提下，所設(shè)計(jì)的目標(biāo)外骨骼才有可能和操作者協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)且保證兩者之間的相互干涉最小。 其次，外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)性，即身材兼容性。由于不同的人的身材不同，即有高矮胖瘦之差，相應(yīng)的，其下肢的幾何尺寸也不盡相同，所以，所設(shè)計(jì)的機(jī)械下肢的尺寸應(yīng)該允許在一定范圍內(nèi)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可以滿足大多數(shù)人的使用要求，使其適用面更廣。 再次，外骨骼應(yīng)該具有堅(jiān)固、耐用、輕巧、便攜的特點(diǎn)。外骨骼在使用過(guò)程中，其機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅要能承受背在載物架上的各種負(fù)載的重量，還要能夠承受在行走過(guò)程中來(lái)自地面的沖擊力，所以應(yīng)該首先確保結(jié)構(gòu)的剛度。除此之外，由于本項(xiàng)目的最終目標(biāo)是建立“自給式”的步行外骨骼，即外骨骼除了需要攜帶各種常規(guī)的儀器和工具之外，還需要隨身攜帶其自身必須的能量供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所以外骨骼的本體結(jié)構(gòu)要盡可能的輕，這樣不僅可以提高其攜帶有效載荷的能力，而且可以提高外骨骼的易操作性。 外骨骼機(jī)構(gòu)的另一項(xiàng)重點(diǎn)便是其安全性問(wèn)題，作為和身體密切接觸的機(jī)械結(jié)構(gòu) ，必須以不對(duì)人體造成威脅為前提。外骨骼可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題是外骨骼和人肢體運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)分歧。所以在連桿設(shè)計(jì)的時(shí)候必須考慮關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)限位。 2.2外骨骼機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元 外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器必須質(zhì)量輕體積小，并且能提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力矩或扭矩，同時(shí)要具有良好的散熱性能。當(dāng)前國(guó)際上的外骨骼設(shè)備常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3種。目前日本的HAL機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，美國(guó)的HULC以及XOS-2機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)方案，日本神奈川工科大學(xué)成功研制的全身型外骨骼機(jī)器人（power assist suit，PAS）采用的氣壓傳動(dòng)裝置可將使用者的力量增加0.5~ l.0倍。三者各有優(yōu)缺點(diǎn)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的控制模式簡(jiǎn)單、直接，控制精度較高，響應(yīng)快，維護(hù)和使用方便，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)。但能輸出較大扭矩的電機(jī)體積卻較大，不宜布置，影響系統(tǒng)的靈活性；液壓驅(qū)動(dòng)方式雖然具有可控性強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、驅(qū)動(dòng)力矩大等特點(diǎn)，適用于高速重載的搬運(yùn)和零件加工機(jī)器人。但是在控制響應(yīng)速度和精度上有先天的不足，且成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量使用率低、密封困難等問(wèn)題；氣壓驅(qū)動(dòng)容易達(dá)到高速、介質(zhì)無(wú)污染、使用安全、工作壓力低，制造要求比液壓元件低、管理維護(hù)比較容易，但是氣動(dòng)裝置的信號(hào)傳遞速度較慢，其穩(wěn)定性較差，難以控制，噪聲較大。 2.3外骨骼機(jī)器人的控制策略 外骨骼機(jī)器人和其他機(jī)器人的最大區(qū)別在于它的操作者是人，而不是機(jī)器，操作者處于回路中，即“人在回路中（Man in Loop）”，操作者與外骨骼具有實(shí)實(shí)在在的物理接觸，形成了一個(gè)人機(jī)耦合的一體化系統(tǒng)。人機(jī)耦合系統(tǒng)的控制目的就是要使人和機(jī)器能夠協(xié)調(diào)地工作，完成任務(wù)。 (1)預(yù)編程控制：外骨骼中有很多是基于康復(fù)目的的有外部能源驅(qū)動(dòng)的步態(tài)矯正裝置。這些裝置主要是下肢外骨骼，用于支撐重量，對(duì)操作者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。這些外骨骼裝置通過(guò)預(yù)先編好的程序來(lái)運(yùn)行，裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡是預(yù)先編程設(shè)計(jì)好的，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)正常人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)并有所改動(dòng)以適應(yīng)于矯正裝置，但操作者只能進(jìn)行有限的干預(yù)?；诔绦蚩刂频目祻?fù)矯正裝置都需要患者使用手杖或者額外的輔助框架來(lái)保持操作者行走的穩(wěn)定，而且實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)形式也十分有限。 (2)基于人體腦電信號(hào)(EEG)的外骨骼控制策略：EEG是人的大腦皮層產(chǎn)生的一種電腦波，能夠直接反映人體運(yùn)動(dòng)意圖。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展，EEG在智能假肢和儀器控制上有了較大發(fā)展，但是腦電信號(hào)微弱，噪聲大，研制成本高，提取困難，數(shù)據(jù)處理程序較為復(fù)雜。該方式常用于肢體癱瘓患者的助力裝置設(shè)計(jì)，但操作者使用該類型裝置時(shí)必須集中思想，不能分散，否則會(huì)影響裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，不適用于操作者同一時(shí)刻執(zhí)行多重腦部指令任務(wù)。為巴西世界杯開(kāi)出的第一個(gè)球的癱瘓少年身穿一款被命名為“Bra-Santos Dumont”的“外骨骼”，這套裝置就是通過(guò)患者大腦意識(shí)活動(dòng)進(jìn)行控制的。 (3)基于人體表面肌電信號(hào)(sEMG)的外骨骼控制策略：sEMG是一種復(fù)雜的表皮下肌肉電活動(dòng)在皮膚表面處的時(shí)間和空間上的綜合結(jié)果，可以直接反映人肢體的動(dòng)作信號(hào)，廣泛地應(yīng)用于肌肉運(yùn)動(dòng)、肌肉損傷診斷、康復(fù)醫(yī)學(xué)及體育運(yùn)動(dòng)等方面的研究，尤其是在智能假手方面已經(jīng)有了成熟的技術(shù)；日本筑波大學(xué)山海嘉之研制的HAL-5外骨骼機(jī)器人就是使用貼附在人體皮膚上的電極檢測(cè)微弱的生物電流，但是肢體的EMG信號(hào)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)力矩之間的關(guān)系并不是完全確定的，并且還要考慮肌力力臂和不同個(gè)體生理狀況的影響，因此使用EMG信號(hào)的控制器一般適用于特定操作者的個(gè)體設(shè)備。另外測(cè)量肌電所采用的大部分的電極或傳感器必須和人體表面皮膚緊密接觸，而在大幅度運(yùn)動(dòng)下，此類型傳感器容易脫落、易位，并且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)后，人體出汗會(huì)影響傳感器的測(cè)量；EMG信號(hào)中往往包含很強(qiáng)烈的噪聲，必須經(jīng)過(guò)額外的處理才能應(yīng)用于系統(tǒng)中；傳感器每次都要貼到人體表面，使用不便。 (4)基于運(yùn)動(dòng)力學(xué)信號(hào)的外骨骼控制策略：人體穿上外骨骼行動(dòng)時(shí)，人體動(dòng)作、人和外骨骼之間、外骨骼和地面之間都會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)力學(xué)信號(hào)，根據(jù)這些信號(hào)可以采用諸如主從控制、直接力反饋控制、地面反作用力控制、ZMP控制等控制策略。這些信號(hào)較為穩(wěn)定、有規(guī)律，不易受干擾且易于采集，但為保證信號(hào)采集的快速性和準(zhǔn)確性，必須在外骨骼和人體上使用大量不同類型傳感器裝置，并且傳感器在外骨骼上的合理配置對(duì)于運(yùn)動(dòng)信息采集的快速性和精確性有很大的影響，故其結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。美國(guó)伯克利大學(xué)的BLEXX和雷神的XOS系列外骨骼利用大量不同類型傳感器元件采集運(yùn)動(dòng)信息，以達(dá)到對(duì)外骨骼機(jī)器人行為動(dòng)作和平衡控制，確保使外骨骼快速精確地響應(yīng)人體的動(dòng)作。 上述幾種控制策略單獨(dú)應(yīng)用于外骨骼機(jī)器人都存在一定的技術(shù)缺陷。預(yù)編程控制方式會(huì)限制外骨骼動(dòng)作模式的擴(kuò)展性；腦電信號(hào)控制方式會(huì)影響人腦對(duì)其他動(dòng)作的控制，易受到外界環(huán)境的干擾；肌電信號(hào)控制方式安裝要求高，穿戴不方便而且容易脫落；基于運(yùn)力學(xué)信號(hào)的控制方式對(duì)傳感器選擇和配置方案有較高要求，其硬件較為復(fù)雜。  3.外骨骼機(jī)器人技術(shù)難點(diǎn)分析 在開(kāi)發(fā)一套外骨骼系統(tǒng)的整個(gè) 過(guò)程中，目標(biāo)功能最終能否順利實(shí)現(xiàn)取決于很多因素的共同影響和作用，包括設(shè)計(jì)擬人化的人體下肢外骨骼機(jī)構(gòu)、選用高效的控制方式和控制策略等，解決了這些問(wèn)題才能使外骨骼系統(tǒng)不僅能夠跟隨操作者完成必要的肢體運(yùn)動(dòng)，而且可以對(duì)人體步行適時(shí)提供助力，從而大幅度提高人的運(yùn)動(dòng)及負(fù)載能力。 具體來(lái)說(shuō)，為實(shí)現(xiàn)最終的功能要求，在整個(gè)外骨骼系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中，主要存在以下幾大技術(shù)難點(diǎn)： (1)擬人化外骨骼機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。包括：外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副的優(yōu)化設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)器件和傳感器件的合理選擇與集成設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)自由度的分配和冗余自由度選擇等，以便使人穿戴舒適、操作靈活、最大限度地拓展人的活動(dòng)范圍，這是外骨骼開(kāi)發(fā)過(guò)程中首先需要解決的一大關(guān)鍵問(wèn)題。 (2)外骨骼步態(tài)規(guī)劃與生成及其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。步態(tài)的規(guī)劃和生成主要有兩種方案： a“離線規(guī)劃，在線校正”。根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行外骨骼步態(tài)的規(guī)劃，并且依靠對(duì)執(zhí)行器的精確控制來(lái)完成步態(tài)的生成；在操作者穿著行走時(shí)，外骨骼可以通過(guò)和操作者的交互來(lái)實(shí)時(shí)校正和調(diào)整步態(tài)。 b外骨骼步態(tài)學(xué)習(xí)與復(fù)現(xiàn)。除了使用已有的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)步態(tài)的生成外，還可以采用先讓外骨骼自己跟蹤和學(xué)習(xí)操作者的步態(tài)，繼而將原步態(tài)完整復(fù)現(xiàn)的控制策略，增加操作者穿著步行時(shí)的舒適感。同時(shí)，必須保證外骨骼步態(tài)的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)范圍不能超過(guò)人體可以調(diào)整的范圍，以確保行走的平穩(wěn)和穿戴者的安全。 (3)外骨骼和操作者的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。外骨骼的控制算法要能保證它可以和操作者始終保持協(xié)調(diào)一致的運(yùn)動(dòng)節(jié)奏，以使二者之間的互相干涉作用最小，并可以根據(jù)人的運(yùn)動(dòng)意圖來(lái)適時(shí)提供助力。保證人穿戴后，運(yùn)動(dòng)負(fù)擔(dān)減小，即穿戴外骨骼后行走同樣距離的路程人體所消耗的能量比沒(méi)有穿戴外骨骼時(shí)所消耗的能量少。要采用更加符合外骨骼結(jié)構(gòu)實(shí)際情況的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，提高運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的實(shí)用性。改進(jìn)現(xiàn)有的跟隨控制策略，使跟隨系統(tǒng)效率更高。總之，在人體外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需把握4個(gè)原則： 降低行走干涉，降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，簡(jiǎn)化控制策略。 (4)驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇。既要有較輕的重量，較小的體積，又必須具有較大的驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)扭矩，同時(shí)還要有良好的散熱性能。這也是可穿戴式的外骨骼系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)緊湊”、“輕巧便攜”和“攜帶動(dòng)力”等幾大要素的關(guān)鍵問(wèn)題。 (5)樣機(jī)材料的選擇。由于下肢步行外骨骼是穿戴在人身上，與人一起運(yùn)動(dòng)的，因此必須要求外骨骼非常輕便，同時(shí)又要具有很好的剛度，以承受人體和重物的重量以及與地面的碰撞，因此可能需要選用一些新型的復(fù)合材料作為樣機(jī)的制作材料。 外骨骼系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與微能源技術(shù)，微驅(qū)動(dòng)技術(shù)，材料技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，外骨骼機(jī)構(gòu)的研制是一項(xiàng)高度集成的技術(shù)，它與各支撐技術(shù)的發(fā)展是密切相關(guān)的，外骨骼技術(shù)發(fā)展的同時(shí)也推動(dòng)了其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。  4.前景展望 4.1 外骨骼機(jī)器人的研究方向 雖然外骨骼機(jī)器人技術(shù)具有很廣的應(yīng)用前景，但由于該項(xiàng)技術(shù)尚不成熟，目前尚未形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)。從研究領(lǐng)域看，各個(gè)國(guó)家對(duì)該技術(shù)的研究方向側(cè)重有所不同。美國(guó)的研究方向主要是軍事領(lǐng)域，日本則更傾向于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)外骨骼機(jī)器人的研究又衍生出許多新的研究方向。 第 1 章 4.1 4.2 外骨骼機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用 外骨骼機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用主要分布在以下三大方面 ：軍事、民用、醫(yī)療。 軍事領(lǐng)域 ：外骨骼機(jī)器人由于能夠有效提高單兵作戰(zhàn)能力因而具有很強(qiáng)的吸引力。美國(guó)政府已投資數(shù)百萬(wàn)美元用于研制新一代基于外骨骼機(jī)器人技術(shù)的單兵作戰(zhàn)裝置。這套作戰(zhàn)外骨骼系統(tǒng)不僅自身具有能源供應(yīng)裝置、能夠?qū)θ梭w提供保護(hù)功能，而且還集成了大量的作戰(zhàn)武器系統(tǒng)和現(xiàn)代化的通訊系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)及生命維持系統(tǒng)等，從而把一個(gè)普通的士兵變成了 “機(jī)械超人”。 神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域：康復(fù)機(jī)器人能夠保證高效的康復(fù)訓(xùn)練，這使得康復(fù)機(jī)器人技術(shù)成為醫(yī)工結(jié)合的嶄新研究領(lǐng)域。特別是康復(fù)機(jī)器人在人機(jī)接口、智能化和控制能力等方面的深入研究使得康復(fù)機(jī)器人能夠更加適合殘疾人和老年人的使用。對(duì)于時(shí)刻需要保持運(yùn)動(dòng)鍛練的患者而言這將是一個(gè)好消息。 民用領(lǐng)域：外骨骼機(jī)器人可以使殘疾或行動(dòng)不便的老年人自行護(hù)理自己。在我國(guó)，由于人口老齡化的逐步到來(lái)，外骨骼機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用能夠顯著減輕人口老齡化所帶來(lái)的社會(huì)壓力。 隨著社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的到來(lái)，外骨骼機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)涉及到人類生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，可以預(yù)見(jiàn)，外骨骼機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展前景是十分廣闊的。但這項(xiàng)技術(shù)還面臨著一些難題要解決，比如外骨骼機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人體舒適度、運(yùn)行安全性等的優(yōu)化設(shè)計(jì)。但隨著能源技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)和控制工程技術(shù)的不斷發(fā)展 ， 這些難題一定會(huì)被逐步解決。