一種可提高和改善步行功能的裝置：動力下肢外骨骼系統的設計及應用?

王一吉，李建軍

外骨骼(exoskeleton)一詞最初來源于生物學，是指能為生物體內柔軟器官提供構型、架構和保護支持的堅硬外部結構，如蝦、蟹等節肢動物體表堅韌的骨骼。隨著科技的進步，科學家們對其賦予了新的含義：外骨骼是一種結合了人工智能和機械動力裝置的機器人[1]；穿戴在操作者外部，融合了控制、傳感和人機結合等技術，提供支撐、運動、防護等功能的機械裝置[2]，在軍事、生活、醫療等方面具有廣泛的應用前景[3]。按應用部位來說，可以分為下肢外骨骼和上肢外骨骼。本文主要介紹可提供行走輔助和醫療康復作用的動力下肢外骨骼系統。

1 外骨骼的發展歷史和現狀

下肢外骨骼已有60余年的發展歷史。從時間來看，前蘇聯和前南斯拉夫開發最早，歐美國家和日本發展最快，我國在這一領域起步較晚，但也取得了一定成果。從應用方向來看，軍事上的研究較早，技術領先；而用于日常輔助和康復方面的研究較晚，技術相對落后。

早在1948年，前蘇聯Bernstein教授設計出世界上第一套電機驅動下肢外骨骼系統[4]。1971年，前南斯拉夫的Vukobratovic教授研制出第一個應用于脊髓損傷患者的氣缸驅動下肢外骨骼[5]。隨著相關技術的成熟，下肢外骨骼在20世紀末得到了飛速發展[6]。

美國伯克利大學研制的主要用于軍事方面的下肢外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton,BLEEX)由金屬腿、能量控制單元、計算機以及后背架組成，使用液壓傳動系統和箱式微型Exoskeleton空速傳感儀，通過計算機預測身體動作來提供助力[7]。美國國防部高等研究計劃局耗巨資最新研制的XOS 2代表了外骨骼領域最尖端的技術。其他的如“Spring-Walker”、“RoboWalker”也正準備進行商業化生產。

用于日常輔助的有日本筑波大學Yoshiyuki Sankai教授研制的世界上第一款商業外骨骼機器人(Hybrid Assistive Limb,HAL)，通過附著在下肢屈伸肌表面的肌電和肌肉剛度傳感器來控制步行[8]，主要用于提高老年人的步行能力。已經用于康復治療的典型代表是瑞士HOCOMA公司的Lokomat[9]，可以使患者在減重狀態下進行步行功能訓練。德國柏林自由大學的HapticWalker利用二自由度的雙曲柄搖桿系統帶動步行[10]，并可進行上下樓梯和穩定性訓練[11]。其他已經應用于康復治療的還有美國南方保健醫療中心的AutoAmbulator、Gait Trainer(GT)[12]。國內具有代表性的有哈爾濱工業大學研制的AVR單片機下肢外骨骼系統[13]。此外，北京工業大學李劍鋒、華東理工大學曹恒等研制的下肢外骨骼機器人均已獲得國家專利。

2 下肢外骨骼的主要結構

下肢外骨骼結構在不同的應用領域略有不同，但大體上主要由控制系統、驅動系統、機械腿和傳感器4部分組成[14]。

2.1 控制系統 控制系統是控制機械腿的啟動、調速、運動、制動的主令裝置。常采用模塊化或層次化的控制結構，便于對各個組分進行分析測試，避免局部故障對整體的影響。可將控制器自上而下分為行走規劃層、步態綜合層和關節控制層。通過層次化的區分可以很好地理解控制流程。

首先，由行走規劃層對傳感器反饋的數據進行分析并計算出步行模式；然后將信息傳送至步態綜合層，由步態綜合層完成步態的擬合，并算出步行時各關節角度；再將信息傳遞到關節控制層中，由關節控制層實時地對驅動器進行閉環控制[15]。也可將行走規劃層和步態綜合層歸于上位機控制系統，關節控制層歸于下位機控制系統。

控制系統與計算機系統類似，也包括硬件和軟件。功能強大的軟硬件可以更好提高控制系統的精確性。上位機控制系統的硬件主要包括控制裝置、運動控制卡、數據采集卡、交流伺服系統、角度編碼器等[16]；下位機控制系統的硬件主要包括單片微型計算機，簡稱單片機，可以直接對驅動裝置進行控制。最常用的有AT89S51單片機[17]。對于軟件來說，應具有穩定性、復用性和擴展性等特點。用于上位機控制系統的軟件較多，常用的有NI-LabVIEW+NI-motion、MatLab和LabVIEw，三者各有優勢。NI軟件可用于無硬件知識的用戶[16]，MatLab在進行復雜控制算法方面十分方便和高效，LabVIEw可進行虛擬控制。下位機控制系統常用C語言實現對硬件的直接控制[17]。

2.2 驅動系統 驅動系統又叫傳動部，一般為電動機、耦合器和減速器的總稱，是各種機械的動力源。根據應用的能源不同將驅動方式分為電動、氣動或液壓3種。驅動器的放置有2種方式，一種放置在遠程站中，另一種方法是直接安裝在外骨骼上。

目前大多數下肢外骨骼系統的驅動器都采用伺服電機，其優點是技術較成熟，控制精度高，但也存在開發成本高、抗過載的能力差、難以小型化等不足，主要應用于僅需中、小功率時。

氣動系統主要由氣泵、氣缸和氣動比例流量閥3部分組成。其優點有選型范圍廣、設計條件寬、承載能力好、開發成本低，但需二次能源轉換，效率較低[17]。最近，氣動人工肌肉(簡稱“氣動肌肉”，Pneumatic Muscle,PM)因其良好的仿生性受到國內外的廣泛關注，它是由壓縮空氣作為驅動力來完成類似肌肉的屈伸，已經投入市場的有英國Shadow氣動肌肉，德國Fluidic Muscle等[18]。隨著技術的進一步成熟，氣動肌肉的應用范圍必將更加廣泛。

液壓驅動與氣動系統都有壓力泵，但液壓驅動是由容量可變的液壓泵和執行機構組成，通過流體液壓來驅動機械裝置。它具有穩定和承受轉矩大等特點，符合下肢承重、減震等仿生學的特點[19]。但這種驅動方式需要油缸及液壓管路，導致外骨骼負荷量的增加，從而限制了行走時抬腿及下蹲的幅度[20]。

安裝在遠程站中的驅動器主要通過電纜、剛性連接、氣動或液動系統來傳送動力[19]，其優點是驅動器的重量不受限制，可提供大功率能量；但需解決傳輸效率和耐久度較低，無法精確控制等問題[21]。直接安裝在外骨骼上的驅動器可提高傳輸效率和人機關節校準度，但會增大外骨骼重量[22]。

2.3 機械腿 機械腿由雙側對稱的機械結構組成，固定在平行四邊形機構上[23]；在髖、膝、踝處各有一個轉動關節，由獨立的帶滾珠絲桿和減速齒輪的驅動機構驅動，可實現矢狀面上屈伸[24]，并裝有用于監測關節轉動角度的角度電位計。機械腿長度可自由調節，以適應不同身高的使用者[16]；而機械腿上的卡環和繃帶搭扣可將使用者下肢固定在機械腿上進行輔助步行[25]。

2.4 傳感器 傳感器是一種檢測裝置，主要安裝在外骨骼的重要部位，獲取各項數據(包括能量、角度以及扭矩等)，然后將數據按一定規律轉換成電信號或其他形式的信息，傳遞到控制系統，是實現自動檢測和自動控制的首要環節。華東理工大學的曹恒等研制出一種用于測量下肢外骨骼足底壓力的小型輪輻式傳感器，可識別不同步態足底的壓力變化，并可對微弱信號進行放大，實用價值很高[26]。

3 下肢外骨骼控制步行的方式

步行是一個非常復雜的運動，需要各方面的協調配合，尤其是要達到可在各種環境下完成行走的目標來說，下肢外骨骼需要一個可進行復雜操作和高級決策的控制方式，以更好地適應外界環境，實現行走的穩態控制。常用的控制方式有肌電控制、地面反作用力(Ground Reaction Force,GRF)控制、零力矩點(Zero Moment Point,ZMP)控制、靈敏度放大控制(Sensitivity Amplification Control,SAC)和預編程控制等，它們的控制原理各不相同，也各有優劣。

肌電控制的應用十分廣泛，大部分外骨骼裝置都采用肌電控制，最成功的應用是HAL，通過下肢肌肉的主動收縮來控制步行。控制路徑為提取信號→提取運動模式特征值→識別動作模式→控制外骨骼。其中最基本的問題就是肌電信號特征的識別，識別的方法有時域法、頻域法、時域-頻域法、高階譜及混沌與分形等。由于電極能與表皮直接接觸，受外界因素影響小；但由于缺乏關節力矩與電信號之間對應關系，在激烈運動下電極易脫落、易位[1]，在應用范圍，尤其是軍用上受到一定的限制。

GRF控制是區別于傳統的控制方法，目前仍在研究階段。GRF是步行中除了重力之外惟一作用于身體的外力，并且是惟一可推動質心移動的力。由于外骨骼與人的質量特性相似，所以如果外骨骼與人的地面反作用力相似，就可通過GRF控制外骨骼與人同步行走。零力矩點最早由Vukobratovic教授提出，是判定機器人動態穩定運動的重要指標，至今仍廣泛應用于下肢外骨骼動態穩定運動的規劃與控制中。BLEEX是其最典型的代表。SAC是通過將人作用在外骨骼上的外力定義為靈敏度函數，然后將該函數最大化，從而實現用較小的力來控制外骨骼的運動；由于不需要安裝任何傳感器，可大大提高舒適度，但建立其控制的數學模型較難[27]。預編程控制是通過預先編好的程序來控制外骨骼，步行模式十分有限并且需要手杖或者助行器來保持步行的穩定，操作者只能進行如“開始”或者“停止”等有限的干預[1]。

4 下肢外骨骼運動的仿真檢驗

設計下肢外骨骼的最終目的是可順利地進行步行，因此必須對其進行實用性檢驗。以往需要制造實際樣機，但制作樣機耗時、費力，改動繁瑣。隨著計算機技術的進步，近年來，虛擬樣機技術在外骨骼仿真檢驗中的應用越來越成熟。虛擬樣機技術(virtual prototyping technology)是一項新生的工程技術，是使用虛擬樣機來代替物理樣機，對設計方案的某一方面進行仿真測試和評估的過程。它采用計算機仿真與虛擬技術，把外骨骼相關資料集成到一個可視化的環境中，建立虛擬樣機模型，結合控制軟件進行樣機的運動學、動力學以及控制方面的檢驗。常用輔助軟件有Automatic Dynamic Analysis of Mechnical system(ADAMs)、CAD三 維 建 模 軟 件(如 CATIA、Pro/E、UG、Solidworks等)。對于簡單的機械模型可直接用ADAMs建模，但對于復雜的機械模型需用CAD軟件建模[28]。

5 當前的問題和研究方向

雖然下肢外骨骼的開發已取得了很大進步，但整體來說還處于發展階段，今后可加大在人機結合、設計、能源和倫理等方面的研究。隨著神經網絡技術的成熟，加強神經系統與外骨骼之間信息交流逐步成為現實，是下肢外骨骼機器人發展重要的趨勢。在2011年1月展示的最新HAL套裝可通過安裝在阿克曼腿上的感應器監測大腦傳遞到下肢肌肉的信號來實現意念控制，使用者只需進行想象就可進行步行[8]。

就目前外骨骼的設計來說，結構笨重、功率較低、耗能大等都限制了外骨骼的應用，需開發便攜式下肢外骨骼以減少步行時對體力的要求，如“第二皮膚”可以更好地適應骨突部和組織的變化[2]。

能源的供給也是一個極具挑戰性的問題。近年來，高性能電池成為新的研究方向，如鋅空氣電池(zinc air battery)。它是用活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質，以鋅為負極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質的一種原電池，又稱鋅氧電池。其基本工作原理為陰極上的鋅與空氣中的氧發生電化學反應(負極反應)，類似銀氧或汞氧電池的化學反應，優點是性價比高、儲能大、功能時間長等[29]。

此外，下肢外骨骼必須有很高的安全性和依從性[30]，并制定相應的倫理規范[15]。

值得一提的是相關信息交流不足也是限制外骨骼發展的因素。由于營利性公司不會輕易地公布他們的研究與開發，缺少嚴格控制的科學研究和公開出版的高端技術，因此大學和學院里的研究者需要與營利性公司合作，共創互利共贏的局面[31]。

綜上所述，雖然大多數下肢外骨骼研制目的是在軍事上提高士兵行軍速度和承載能力，但是科學家和工程學家們正在將其應用于更廣的領域，如重建神經損傷患者步行功能、輔助分析下肢運動生理、解決日常生活中的問題等。隨著驅動器、傳感器、材料、能源和計算機技術的進步，下肢外骨骼肯定會得到更大的發展。

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