淺析下肢外骨骼機器人的現狀與發展前景

(1.山東科技大學機械電子工程學院 山東 青島 266590) (2.山東科技大學交通學院 山東 青島 266590)

淺析下肢外骨骼機器人的現狀與發展前景

劉學彬1鄭偉1任保飛1趙士英1鄒亞男2

(1.山東科技大學機械電子工程學院山東青島266590) (2.山東科技大學交通學院山東青島266590)

下肢外骨骼機器人屬于服務機器人，適用于醫療康復。隨著科學技術的發展，伴隨機器人技術的迅猛發展，人體外骨骼機器人的得到了越來越多的重視。機器人的智能化，交通的快速化，人口的老齡化，醫學的發展都促進了人體外骨骼的廣闊發展前景。下肢外骨骼機器人能夠實現增強身體機能、康復訓練、助力行走等功能，正逐漸成為社會中不可或缺的一部分。

下肢外骨骼機器人；醫療康復；智能化；發展前景

進入21世紀以來，傳統的工業機器人發展已經趨向成熟化，新興的機器人產業開始呈現井噴趨勢，比如說，體內機器人、情感機器人、空間機器人、人體外骨骼等等，本文只對人體下肢外骨骼機器人的現狀和發展前景進行淺析。人體外骨骼是融合傳感、控制、信息、融合、移動計算,為作為操作者的人提供一種可穿戴的機械機構的綜合技術。主要有下肢外骨骼、上肢外骨骼、手指外骨骼和全身外骨骼等形式，又稱為“可穿戴的機器人”。隨著交通的快速化，人口的老齡化，心血管疾病和神經系統病人的增多，軍事領域的激烈競爭，造就了人體外骨骼機器人的廣闊發展前景。本文主要從增強身體機能、康復訓練、助力行走三個方面對下肢外骨骼機器人進行淺析。

一、下肢外骨骼的增強身體機能

人體外骨骼的發展開始于軍事領域，最初的目的主要是增強人體的機能，應用于軍事方面的長途奔襲、搭載重裝備的情況。21世紀以來，很多國家開始重視下肢外骨骼機器人在醫學方面的應用，不僅能夠適應在復雜道路，而且其它交通工具很難替代外骨骼的應用。比如說，美國伯克利大學和軍方合作項目：外骨骼助力機器人士兵服，它將自動機械支柱和人體的兩條腿進行連接，從而實現降低負重，使得士兵可以攜帶更多、更重的裝備，還能實現遠距離的行軍。時間就是生命，下肢外骨骼的出現讓未來的軍事產生了更多可能，雖然我們不喜歡戰爭，憎惡戰爭，但是我們也要武裝自己，讓我們國家的軍事實力越來越強，時刻準備著抵御外敵，而隨著未來單兵機動力、防護力、進攻力和信息力的發展，必然使得單兵負重不斷增加，應運而生的是南京軍區南京總醫院日前研發了一款單兵外骨骼系統，令士兵變身為“鋼鐵俠”，這套單兵負重輔助系統是根據昆蟲外骨骼的仿生學原理研制而成的。在我們的平時生活中，外骨骼機器人可以幫助我們登山、旅游、救災等方面，讓我們能夠背負更多物資和裝備，完成汽車等其他交通工具無法完成的任務。

二、下肢外骨骼的康復訓練

下肢外骨骼機器人在對有運動障礙的人員當中，特別是老年人和很多殘疾人的治療和康復過程中作用突出，不僅可以對護理人員匱乏、醫療費用昂貴等問題進行解決，而且一定程度上減少護理人員疏忽、訓練不得當等問題。下肢外骨骼的康復作用是醫學和機器人的完美結合，對心血管病人、中風、下肢損傷等病人具有不可磨滅，也無可取代的作用。比如說，瑞士蘇黎世聯邦工業大學研究的LOKOMAT康復機器人，主要是由步態矯正器、體重支持系統和跑臺三部分組成，通過提前偵測患者的運動，實現順著患者行走軌跡，不能強制改變患者的行走軌跡，更好的實現人性化功能。LOKOMAT機器人以人為本，通過對機器人的評估，建立起一種更加有效，更加人性化，更加科學的治療方式。

三、下肢外骨骼的輔助行走

輔助行走機器人主要是幫助肢體行走有障礙的患者實現他們渴望的行走目的。外骨骼借鑒了腿式機器人、仿人機器人、仿生機器人等技術，通過全身遍布的傳感器獲得各項數據，并傳遞給中央處理器，然后經過必要的計算來調整外骨骼的動作，研究出行走助力裝置。輔助行走機器人不僅能夠分擔患者自身體重的部分，使患者更好的步行、上下臺階等動作，還能通過必要的計算對患者的步態軌跡進行更人性化的優化設計。比如說，韓國西江大學研究的Intelligent Walking Assistive Robot,對身體較弱的老人，行走不變的病人都能夠完成很好的助力行走，擴大了他們的活動范圍和運動能力，讓他們對生活更加的有信心。Intelligent Walking Assistive Robot由外骨骼和手推車兩部分組成，以電池和馬達作為驅動元件，并將較重的裝置盡量設置于手推車中，可以減輕患者的負重，也能更好的保持患者的平衡，這將更有利于他們的行走。浙江大學研制的可穿戴式假肢，對下肢髖關節和膝關節進行驅動，采用自適應模糊人工神經元網絡控制方法進行計算，算出患者的期望動作并進行具體的實施。

四、結論與前景

下肢外骨骼機器人給患者提供了“腿”，解決了行走障礙，提高了生活質量，也緩解了家庭經濟負擔。隨著社會的發展和生活水平的提高，人們對醫療水平的期望，以及軍事領域的快速發展，人體下肢外骨骼機器人的發展一定會實現一個迅猛的發展。就目前而言，研究國外的發展相對更好，特別是美國、日本等國家。而我們中國起步相對較晚，技術也還相對欠缺，當然也存在一些難點急需解決，比如說，驅動器和驅動系統的選擇、助力裝置和操作者的協調，以及機構的合理優化等問題。綜上而言，下肢外骨骼機器人擁有非常好的前景，不僅僅是在軍事領域，更是在社會生活中。相信在未來的某個時期，下肢外骨骼技術就會像我們穿衣服一樣，會解決我們的困難，也可以實現大腦意識的傳遞，并成為我們生活不可缺少的一部分。

[1]百度百科

[2]柯顯信等.人體下肢外骨骼機器人的發展及關鍵技術分析.機器人技術與應用，2009年雙月刊第六期

[3]柴虎等.外骨骼機器人的研究發展.醫療衛生裝備，2013年

[4]歐陽小平等.助力型下肢外骨骼機器人現狀和展望.科技導報，2013

劉學彬(1990-)，男，漢族，學歷碩士研究生在讀，山東科技大學，研究方向機器人。