機械外骨骼研究現狀及發展趨勢

郝士沖

（北京 100086）

在眾多領域為人體負重運動提供支撐和輔助的已經成為近期國內外研究應用的熱點。但由于目前的技術不完善還無法大規模的使用，主要在人機電耦合控制技術、智能預測感知技術、大功率動力傳動技術等方面還存在技術瓶頸。

1 國內外研究現狀及發展動態

1.1 機械外骨骼分類及作用

機械外骨骼根據應用領域和作用的不同主要分為：軍事外骨骼、民用外骨骼和醫療外骨骼。軍用機械外骨骼主要用于提高士兵的單兵作戰能力。該設備不光可以為士兵提供高效的負載能力和運動速度，同時本身集成了大量的武器裝備、通信系統、生命維持系統，使得士兵的作戰能力和戰場生存能力得到顯著提高。如美國的伯克利低位肢體外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton) 或稱作布利克斯(BLEEX) 和Raytheon Sarcos XOS。民用機械外骨骼主要用于裝備行動不變的老人和殘疾人，使其重新具備行走能力。如日本的hal 和以色列的rewalk。醫療機械外骨骼可以幫助神經受損行動能力降低的病人進行康復訓練，如北京大艾公司的下肢骨骼康復訓練機器人。機械外骨骼同時也是具有采集人體數據進行合理分析高智能的機械設備。

1.2 機械外骨骼與人的耦合研究

人體本身是一個柔性的系統，肢體皮膚和肌肉具有很強的彈性，當其表面通過綁帶與剛性外骨骼進行連接，在運動過程中，外部受剛性機械作用，則構成了剛性和柔性混合的系統。在研究過程中，人體運動的控制主要靠大腦和肌肉骨骼運動完成，而機械外骨骼研究重點就側重于其隨動能力。機械

外骨骼運動性能的主要評價指標之一則是判斷外骨骼是否能快速準確的跟隨人體運動。人體可以正常行走，骨骼和肌肉皮膚組織耦合完美的原因，得益于柔性肌肉脂肪組織。因此通過綁帶將機械骨骼與人體表面束縛，其耦合度與綁帶肌肉柔性物質的力學性息息相關。

除了人體柔性影響耦合度外，外骨骼的連接方式也尤為重要，它既可以是綁帶直接連接，也可以是其它特殊的連接方式，如 Hasegawa 為提高穿戴者的舒適性，采用氣墊（air mat）進行人體和外骨骼的耦合，通過控制氣墊充放氣體而改變耦合強度，從而保證穿戴時的高剛度和脫下外骨骼時需要的低連接強度。同時不同年齡性別的人步態步長單雙足支撐時間也不盡相同。目前在機械外骨骼中，美國洛克希德公司的HULC 表現突出，屬于力量增強型，通過先進的步態識別技術, 感知行走過程中不同人體的行走方式，然后反饋給控制器不斷按照人體結構調整控制方式，更加符合人體的行走特性。HULC 基于電液私服驅動隨控技術來抑制人機對抗，從而提高人機耦合度。

1.3 基于人機耦合的控制策略研究

高度的人機耦合是機械外骨骼研究追求的目標，因此需要建立一種控制方法，當在行走過程中，受到外界或者內部等不確定因素干擾時，機械骨骼隨動的滯后性可以被有效的抑制，從而減小人機的阻礙。這將是機械外骨骼能否在將來推廣應用的一個技術難點。人機耦合協行的實現方式是通過安裝在外骨骼上的傳感器如關節編碼器、陀螺儀、傾角儀、鞋底壓力傳感器和肌肉電傳感器等，測量運動過程中的行動信息并反饋給控制器，作為控制器的輸入，而控制器會根據信息作出行動反應，完成隨動。也有學者在人機接觸之處安裝壓力傳感器，進行阻抗控制。前者主要思想是根據傳統機器人步態識別與指令在線生成方法，實現外骨骼跟蹤人運動。后者主要采用靈敏度放大策略實現人機協同控制。兩者的控制方式都需要基于人機耦合機理，因此合理的人機耦合模型，可以從理論上找到提高機器快速跟蹤人運動的措施，實現人機高度耦合。同時也應當盡量收集人類步態等方面的數據建立數據庫，利用大量數據來尋找共同點從而更方便快捷的進行人機匹配。

2 人機耦合度提升方法

基于上述研究，我們提出來人機耦合度的提升方法。因為人的肢體具有一定的柔性和隨意性，這就使得其控制變得困難和復雜。盡管人體基本動作模式（行走、上下斜坡、上下樓梯、下蹲起立等）是可枚舉的，但是各種動作模式中包含的運動特征信息是無限的，而且每個人的步態步長單雙足支撐時間也是迥異的。另外，人與外骨骼接觸時產生阻抗力的動態特性復雜，并具有非光滑等強非線性特性。同時外骨骼屬于剛性物體，兩者的結合則構成了一個剛性和柔性的混合系統。對于剛柔耦合系統的控制首先需要確定耦合方式和耦合位置進行，耦合方式和耦合位置的不同會產生不同的人機運動效果。另一方面人體不同位置和人體屬性（身高、年齡、體重）對于阻抗力又有不同的靈敏度。

因此建立一套人機耦合效果評價指標體系可以為提高人機耦合控制提供解決辦法。通過評價指標有助于合理人機耦合布局的設計，可以為人機攜行運動時阻抗力對人體約束的靈敏度和無主動控制情況下機械外骨骼可穿戴的舒適性提供指導。將指標反饋信息作為控制的輸入，不斷的進行調整，從而更好的完成人機耦合控制問題。