面向上肢的外骨骼驅動器綜述

丁志遠 方禮賢 陳浩 任雨菲 楊雨昕

摘 要：首先闡述了上肢外骨骼研究的背景和意義；接著總結了國內外上肢外骨骼的研究現狀，分析了幾種典型的上肢外骨骼助力器的特性和功能；然后從機構設計和驅動設計兩方面分析了上肢外骨骼機器人的設計要點，再以彈性驅動器為例介紹了仿生驅動器的概念；最后結合人工智能技術，對上肢外骨骼的發展前景進行了展望。

關鍵詞：仿生驅動器；上肢外骨骼；機器人

中圖分類號：TP24 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0035-04

Abstract： Firstly， the background and significance of upper limb exoskeleton research are described， the research status of upper limb exoskeleton at home and abroad is summarized， and the characteristics and functions of several typical upper limb exoskeleton boosters are analyzed. Then， the design key points of the upper limb exoskeleton robot are analyzed from two aspects of mechanism design and drive design， and the concept of bionic driver is introduced by taking the elastic driver as an example. Finally， using artificial intelligence technology， the development prospect of upper limb exoskeleton is prospected.

Keywords： bionic driver； upper limb exoskeleton； robot

引言

隨著醫療技術的進步和物質的豐富，人類的平均壽命在不斷延長，人口老齡化在加劇，老年人的健康漸漸成為社會關注的熱點。在威脅老年人健康的眾多疾病中，中風因其高發病率、高死亡率和高復發率成為了最具威脅的一種。醫療科技的進步使得中風的死亡率大幅下降，偏癱后遺癥[1]患者數目卻無可避免地在增加。臨床試驗證明，除了手術和藥物治療外，康復運動訓練有助于偏癱患者在大腦中樞與肢體運動控制之間重新建立有效聯系[2]。

1 國內外研究現狀

上肢外骨骼驅動器首次受到科研人員關注可追溯到上世界60年代至70年代，一直到20世紀的80年代，上肢驅動器的研究一直停留在起步階段。隨后，越來越多的科研工作者積極投身于這個領域，到20世紀90年代，該領域的研究正式進入全面發展階段。

1.1 國外研究現狀

2006年，University of Washington設計出了一種由電機-纜繩-滑輪驅動的上肢康復機器人CADEN-7（Cable-Actuated Dexterous Exoskeleton for Neurorehabilitation），如圖1所示。該驅動器基于人體工學設計，能夠對肩、肘以及腕三個關節進行康復訓練[3]。

美國Arizona State University的Thomas Sugar等人設計一種以氣動肌肉作為動力驅動的康復機器人RUPERT（Robot Upper Extremity Repetitive Therapy Device），如圖2所示。第一代RUPERT能夠對肩、肘以及腕三個關節的四個自由度進行康復訓練，但因為氣動肌肉只能提供單方向的動力，因此關節往復運動中的返程運動仍需手工外力進行干預；第二代的RUPERT相較于第一代，在整體結構上實現了改良，面向體征不同的患者，設計了能夠將關節中心和上肢臂長進行調整的構件；第三代采用了新型石墨復合材料，使結構更為輕便；到第四代，通過安裝在機器臂上角位移、力矩和壓力這三個傳感器檢測運動狀態，能夠精確控制和記錄訓練參數，實現訓練的優化[4]。

日本的筑波大學所開發的HAL系列[5]是目前世界上較成功的商品化康復機器人。其本質是一種與身體捆綁的行走用機器人。當使用者試圖行走時，大腦會通過肌肉電流信號（EMG），體表傳感器檢測到這種電信號之后，激活HAL的伺服系統，以此增強行走的強度和抗干擾性。

1.2 國內研究現狀

我國在此領域的研究起步較晚，且大多數為學校等科研機構，進行相關研究的企業很少。近年來，經過科研工作者的不斷努力，我國也研究出一系列具有價值的上肢外骨骼康復訓練機器人。

上海交通大學的研究人員設計了兩代上肢機器人外骨骼，如圖4所示。該機構圍繞人體上肢運動學進行設計，能夠模擬上肢的七個自由度運動，實現有效助力。

華中科技大學研究人員提出了一種以氣動肌肉作為動力的上肢外骨骼機器人[7]，如圖5所示。采用氣動肌肉作為動力源，能夠使輸出和輔助矯正更加柔和，避免了剛性康復外骨骼對患者的二次傷害，同時氣動動力滿足了康復訓練所需要的強度。

哈爾濱工業大學的研究項目以心肺復蘇為主，康復訓練為輔，選用電機作為動力源，設計出一種基于肌電流信號的上肢助力驅動器[8]，如圖6所示。采用電機驅動的上肢康復機器人能夠在完成康復訓練中往返運動的同時，保證運動的高精度。同時電機也方便采集記錄電機角度，對康復運動的過程實現反饋，具有效率高、污染小和高精度的特點。

2 上肢外骨骼驅動器的設計

2.1 上肢外骨骼的結構設計

結合國內外研究現狀可知，大多數上肢助力機器人以康復領域的外骨骼為主，驅動功率低，驅動數量更少。但因其特殊的醫療康復使用工況，因此其設計不僅要滿足機械設計要求，也要滿足醫療設備的設計使用需求，具體要求包括：（1）安全性；（2）運動功能性；（3）結構性要求；（4）康復效果和舒適性。

外骨骼助力器要想實現康復訓練過程的舒適性，就必須從人體的生物學出發，全面地對肢體各個部分的運動范圍和運動特點進行分析，盡可能使所設計的外骨骼更符合人體結構，從而使使用者穿戴安全舒適、動作靈活不受限制。因此，外骨骼的機構設計需滿足以下幾點：（1）外骨骼應可能遵循仿生原則，在尺寸、參數方面需參考人體；（2）上肢外骨骼的各個關節都應對應人體相應關節，如圖7人體上肢解剖圖所示；（3）外骨骼要保證有一定的運動范圍，既能保證不限制人體運動，又能確保動作的安全。

2.2 上肢外骨骼的驅動設計

當下大多數機器人都采用液壓、氣壓、電機這三種動力供應方式或混合動力供應。

2.2.1 液壓驅動

液壓驅動的工作原理為由液壓缸對液體增壓，使機械能轉化為壓力，再由液壓缸對外做功。它的優點是力矩大、精度高和響應快，多用于大型起重設備。但也存在液壓油易泄露、對工況要求高以及整體結構笨重的缺點，因此不適用與穿戴型上肢外骨骼機器人，多用于大型外骨骼設備。

2.2.2 氣壓驅動

氣壓驅動的工作原理與液壓驅動類似，因為需要配備氣源對氣體進行壓縮，故系統在運行過程中存在噪音大和穩定性差的缺陷，因此也不適用大多數穿戴型上肢外骨骼。

2.2.3 電機驅動

電機驅動只需要購買電源和電機，電機購買、使用、控制和參數反饋都更為便捷。污染小、信號傳遞簡單以及結構輕便，使得電機成為了在設計上肢外骨骼機器人的首選。商品化最成功的的日本筑波大學外骨骼機器人HAL系列便是采用了電機驅動系統。

2.3 彈性驅動設計

目前國內的研究大多實現了上肢外骨骼助力器安全和小體積的需求，越來越多的研究人員將目光轉移到外骨骼舒適度特性上。

要想達到最佳的康復效果，需要使康復系統的力學性能達到最優，其力學特性也要盡量接近人體肌肉的力學特性，這種力學特性包括柔性的抗沖擊能力和剛性的輸出負載能力。傳統剛性驅動器具有出色的位置控制和速度控制，彈性驅動器正是在傳統驅動器中引入彈性元件而設計（如圖8所示）。電機仿生人體骨骼作為剛性輸出，彈性元件模擬肌肉作對外來負載的緩沖，最大程度的達到了仿生的效果。

3 結束語

外骨骼機器人在軍事、生活和醫療等領域擁有著廣闊的發展前景，逐漸引起了各界的重視，近年來隨著高校等機構投入的增加，諸如柔性安全、噪音和舒適度差等技術難題都得到了突破性的進展，但仍有很多問題亟待解決：（1）商品化康復機器人體積笨重、造價昂貴，很難進入平民化醫療水平；（2）外骨骼的能源利用效率轉化率較低；（3）與使用者預期的運動擬合度不高；（4）外骨骼機器人自適應能力較弱，無法進行自學習。人工智能技術的興起，或許在不久的將來就能夠將智能技術嵌入上肢外骨骼機器人之中。通過深度學習技術對外骨骼運動的參數進行分析并預測，或可加強外骨骼機器人的自學習能力。

隨著科技的進步和社會的重視，上肢外骨骼將廣泛應用于社會的各個方面。

參考文獻：

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