外骨骼助力機器人研究現狀及應用領域展望

摘要:總結性的介紹了當前外骨骼助力機器人的研究和發展現狀，對典型的外骨骼助力機器人進行了結構和性能等的分析，并結合當前探討了該裝置在未來的應用前景，展望了未來的人體外骨骼助力機器人能達到的科技水平。

關鍵詞:外骨骼 機器人 助力

1 現狀

人體外骨骼助力機器人起源于美國1966年的哈德曼助力機器人的設想及研發，到今天整體仍處于研發階段，能源供給裝置以及高度符合人體動作敏捷及準確程度要求的控制系統和力的傳遞裝置都有待大力投入研發和試驗嘗試[1]。以下是近些年有代表性的研究成果。

1.1 日本外骨骼機器人HAL3 它由筑波大學研發，功能為:幫助人行走、起立、坐下等下肢動作的動力輔助機器“機器人套裝(Robot suit)”HAL(Habrid Assist Legs)，該機器人主要由無線LAN(局域網)系統、電池組、電機及減速器、傳感器(地板反應力傳感器、表面肌電傳感器、角度傳感器)、執行機構等組成，總重約17千克，設備較重，動力傳動采用電機-減速器-外骨骼機構的方法。能夠根據人體的動作意愿自動調整裝置的助力大小。市場規劃:將主要面向高齡護理、殘疾人輔助、消防及警察等危險作業的用途，并且加強運動娛樂用途市場的開發力度，將針對各種用途進行HAL的設計生產[2]。

具體產品可見以下鏈接網址:http://v.ku6.com/show/hkJUlIx1

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1.2 以色列:“外骨骼”助力裝置ReWalk 埃爾格醫學技術公司研發的“ReWalk”用一副拐杖幫助維持身體平衡，由電動腿部支架、身體感應器和一個背包組成，背包內有一個計算機控制盒以及可再充電的蓄電池。使用者可以用遙控腰帶選定某種設置，如站、坐、走、爬等，然后向前傾，激活身體感應器，使機械腿處于運動之中。主要用來助癱瘓者恢復行走能力[3]。動力傳動采用電機-減速器-外骨骼機構的方法，運動模式主要是裝置帶動人體動作，裝置的助力大小由控制系統設定，不能跟隨人的動作意愿而隨時改變。市場規劃主要是針對下肢癱瘓的顧客進行產品開發。

網絡視頻地址:http://vsearch.cctv.com/plgs_play-CCTVNEW

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1.3 美國伯克利大學軍方合作項目——外骨骼助力機器人士兵服

該裝置名為伯克利低位肢體外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)或稱作布利克斯(BLEEX)，見圖1，是高級防御研究工程機構設計出來的，嘗試將自動機械支柱與人的雙腿相連，以降低負重，從而使步兵能夠在負載更重的情況下行進更長的路程。這套設備主要由燃料供給及發動機系統、控制及檢測系統、液壓傳動系統及外骨骼機構，使用這種裝置的人要通過傳動帶將自身的腿與機械外骨骼的腿相連，背上要背一個裝有發動機、控制系統的大背包，背包中同時還留有承載有效載荷的空間。動力傳動過程為:發動機-液壓系統-外骨骼機構。該裝置能平衡掉設備的自重(有50千克)，使人穿著時無負載感覺，且控制系統將保證它的重心始終是在使用者的雙腳上。該裝置的背包中還可負載32千克重量。而對使用者而言，他則只感覺像是背了2千克一樣[4]。這種裝置除了幫助士兵外，還可以協助醫療人員將傷員撤離開危險地區或使消防員能夠攜帶很重的設備攀登上更多的樓層。

網絡視頻地址:http://www.tudou.com/programs/view/0WHN

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1.4 美國另一個軍事合作項目，代表助力外骨骼機器人最新水平的Raytheon Sarcos XOS 圖2是Steve Jacobsen博士的得意之作機動外骨骼 “XOS”[5]，外骨骼“XOS”是為了創造出超人的士兵，而由美國國防部高等研究計劃局(DARPA)提供了1000萬美元的軍事研究預算，經過7年秘密研發出來的，代表了機械外骨骼領域最尖端的技術。它的控制思想同BLEEX一樣，控制系統通過檢測系統和微機系統判斷人的下個動作，從而決定加給人體多大的助力及速度，并且也是通過液壓系統將力傳給外骨骼機構，但它是全身武裝的外骨骼，而BLEEX是下肢外骨骼機器人。

“XOS”動作較從前的外骨骼設備動作要敏捷的多并且強有力。利用附在身體上的傳感器，可以毫不延遲地反應身體的動作，輸出強大的力量。當穿上“XOS”時，能舉起90.7kg的重物而人體感覺只有9千克，能連續舉50-500次。但目前“XOS”有一個重大缺陷，就是自帶的電池只能使用40分鐘，如果解決這個問題，相信很快就可以實用化。

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2 展望

大致上助力機器本人認為可分為工程助力機器以及生物助力機器兩大類[1]，工程助力機器已經應用的領域有汽車(如電動助力轉向系統)、工廠(如叉車、電葫蘆)以及各種工程機械(如挖掘機、起重機);而生物助力機器主要是人類使用的外骨骼助力機器人，其中可用在三大方面，即軍事、民用、醫療。可以說助力機器的本質就是將人類本身的力量和動作速度放大幾倍甚至上千倍。本文探討的外骨骼機器人技術是這個本質的直接體現，結合現在的研究進展和人類的生存需要，我們可以展望將來的技術發展要達到助力設備就像我們人類穿戴的衣服一樣不僅不會對人了本身的動作構成阻礙，還能根據人的大腦意識將人的目標動作(力量及速度)放大到需要的目標值，比如人自身不能抬起一輛小汽車，但穿戴外骨骼服裝后單獨的個體就能順利的舉起這輛汽車，并且還要能舉著它走或跑著運動起來。將來應用的領域分析可見下圖3，由圖3可以看出，未來的外骨骼助力裝置能應用在包括軍事、礦產、工業、醫療等等很多方面，由于未來需要人體的機能不斷提升，甚至要遠遠超越自身極限，外骨骼助力設備會顯得格外重要，最終成為必不可少的產品。

參考文獻:

[1]李向軍.人體手臂助力系統設計及實驗研究.北京交通大學.碩士學位論文.2008.6.

[2]http://japan.people.com.cn/2003/8/22/2003822154337.htm.

[3]http://www.sina.com.cn 2008年08月27日 07:48 新浪科技網.

[4]Adam B.Zoss，H.Kazerooni，Member，IEEE，and Andrew Chu Biom

echanical Design of the Berkeley Lower IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS，VOL.11，NO.2，APRIL 2006 page:128-138.

[5]http://www.raytheon.com/newsroom/technology/rtn08_exoskeleton.