穿戴式下肢外骨骼機器人研究現狀

張明路，鐘道方，田 穎，張小俊

(河北工業大學機械工程學院，天津 300401)

近年來，中國逐漸步入老齡化社會，老年人行動不便及患病后的康復性治療訓練都迫切需要大量的穿戴式下肢外骨骼機器人介入。同時，在國防民生等領域，也需要大量穿戴式下肢外骨骼機器人輔助人類完成重物的搬運、負載等任務。

下肢外骨骼機器人的設計與控制是機構學、仿生學、自動控制等多個學科的交叉，包含了傳感、控制、信息傳遞等多種技術。近年來，該研究領域發展迅速，是中外研究熱點。傳統的下肢外骨骼機器人研究多以其功能進行分類，但不同功能的機器人在結構方面存在大量重疊，以從結構角度闡述了穿戴式下肢外骨骼機器人目前的研究進展，對機器人最新的技術材料、驅動方式、能源供應方式等內容進行了介紹，最后總結了穿戴式下肢外骨骼機器人未來的發展方向。

1 穿戴式下肢外骨骼機器人結構設計研究現狀

穿戴式下肢外骨骼機器人的結構設計大體是依照人類下肢的骨骼關節結構進行設計的，分為髖關節、大腿、膝關節、小腿、踝關節和足部六個部分[1-3]，也有少數機器人省略踝關節和足部[4-8]。機器人是通過其髖關節、膝關節、踝關節的協調來協助完成人體下肢活動。根據輔助結構的不同，穿戴式下肢外骨骼機器人可分為無輔助兩足式和有輔助兩足式；根據足部結構的不同，穿戴式下肢外骨骼機器人還可以分為點接觸式和面接觸式，機器人的輔助結構和足部結構可以進行任意形式的組合。

1.1 無輔助兩足式和有輔助兩足式

1.1.1 無輔助兩足式

Wehner等[4]基于仿生原理研發的Soft Exosuits，外套裝有McKibben軟式氣動執行機構，致動器通過織帶網絡連接到系固點上，基于虛擬錨技術降低了行走過程中穿戴者的代謝消耗。Fontana等[9]研發的用于運輸和處理重物的全身外骨骼Body Extender(圖1)，基于增強人體性能外骨骼系統設計有22個自由度，可與操作者身體平衡放置。

圖1 Body Extender外骨骼[9]

魏小東等[10]研發的穿戴式下肢外骨骼康復機器人，采用無輔助結構的機體構架，行走時依靠左腿髖關節中的電機轉動，通過諧波減速器、輸出軸和鍵傳遞到左邊的大腿組件上，右腿會相對于左腿向后擺動來完成一系列的行走動作。Yu等[11]提出了外骨骼輔助機器人(HEXAR),整體包括15個自由度，在腳踝處采用仿人足部設計，能夠更好地增大與地面的接觸面積，保證了穿戴者在行走過程中的穩定性。He等[12]提出了一種名為Auto-LEE的輔助外骨骼，可為用戶提供自平衡行走的能力，甚至能通過腦電圖(electroencephalogram)和操縱桿來操縱系統。

1.1.2 有輔助兩足式

Ugarte等[13]基于人工智能原理推出了下肢外骨骼機器人(Exo-H3)，該機器人可配有拐杖輔助下肢行動不便的人進行康復治療，同時擁有通信功能、手機APP控制行走等現代設計理念。以色列ReWalk Robotics公司采用傾斜傳感器研究的ReWalk機器人[14]，基于傾斜傳感器原理可以檢測穿戴者運動重心位置變化(圖2)，同時還具備手動按鈕調節機體功能，借助輔助裝置，髖部支撐結構能夠為癱瘓患者提供物理治療方式。

圖2 ReWalk機器人[14]

朱愛斌等[15]發明的一種主動助力裝甲車救援外骨骼機器人下肢結構，足部安裝有被動式髖關節助力模塊，在被動式髖關節助力模塊上設置有主動式起重臂助力模塊，為穿戴者提供助力以及重力支撐。盛一宣等[16]基于推力法研究了一種減重車助力輔助下肢機器人重心轉移的裝置，分析了重心轉移裝置，通過模仿人體膝關節和肌肉的協調作用來完成邁步功能。時兆義等[17]設計了一款用于拐杖輔助的下肢外骨骼機器人，拐杖除了輔助穿戴者的功能，還具有實時感應地面壓力以及控制關機電機的作用，保證穿戴者的安全。

目前，寧萌等[18]開發一種帶有智能助力、可穿戴在行走障礙患者下肢進行康復訓練或行走助力的機器人設備，可以實現支撐真實行走訓練和輔助行走兩個功能(圖3)，最大程度地輔助穿戴者完成行走動作。

圖3 智能助力機器人[18]

1.2 點接觸式和面接觸式

1.2.1 點接觸式

穿戴式下肢外骨骼機器人對于足部接觸地面的結構形式也有所不同，通常分為點接觸與面接觸形式。李健等[19]發明了一種采用點接觸形式的柔性穿戴式下肢外骨骼機器人，采用足部調節結構，由橫梁桿、足部調節桿、彈簧繩索組成，可實現足部調節。兵器集團202所研發的外骨骼系統可加裝輔助裝置[20]，該裝置足部基于點接觸形式接觸地面，結構簡單，能夠良好地輔助單兵攜帶重物，提高單兵訓練能力。

1.2.2 面接觸式

李靜等[21]研發的一種可穿戴外骨骼式下肢步行訓練康復機器人，采用足部面接觸形式，底板上固定連接帶有腳底聚酯纖維感應層的腳底橡膠減震層，基于足底壓力傳感器分析原理，幫助穿戴者感應腳底運動環境。孫陽陽等[22]基于仿生原理發明了一種足式仿人機器人，分析了機器人關節驅動結構，模仿人體足部運動狀態，增大與地面的接觸面積，提高人體運動的穩定性。邱靜等[23]研究的PRMI助行外骨骼機器人，基于臨床步態分析數據設計與人體下肢貼合度相近的機器人，足部與人體足底面重合，為人體重量提供支持，輔助穿戴者完成基本的運動。

Zhou等[24]基于人體下肢運動機構的基礎上設計了一種新型可穿戴式下肢外骨骼結構，該機器人足部采用雙層結構設計，基于足底壓力傳感器采集的信號判斷外骨骼腳是否觸地，從而更好地判斷穿戴者行走時的姿勢。

綜上，穿戴式下肢外骨骼機器人下肢結構類型的性能比較如表1所示。

表1 下肢結構類型性能比較

2 新科技材料在穿戴式下肢外骨骼機器人的使用

在傳統穿戴式下肢外骨骼機器人設計制造過程中，機架及關節多由鋁合金和鈦合金制造，相比鋼鐵等做到了材料輕量化，保證了機器人運動的靈活性。隨著科技的發展，更多新型復合材料被用于穿戴式下肢外骨骼機器人，如碳纖維復合材料(圖4)[25-26]等，進一步減輕了機器人的重量，降低了成本，節省了能源，延長了機器人的使用壽命。

圖4 碳纖維復合材料

美國仿生控股有限公司(Ekso Bionic)研制出一種采用鈦合金、碳纖維復合材料等多種輕量化材料的下肢外骨骼機器人Ekso[27]，相比于傳統的機械結構設計，降低了機體的整體重量。

宋荊洲等[28]研制的一款新型機器人碳纖維臂桿，采用了碳纖維環氧樹脂作為碳纖維桿的材料，鈦合金接口件分別位于碳纖維桿兩端。為了使連接部分更加牢靠，采用了鈦合金接口件與碳纖維桿混合連接的關鍵技術，整體設計減輕了重量，提升了續航。

傅里葉智能公司研發的Four-ier X2下肢外骨骼機器人[29]基于生物力學與人體工程學設計使用了大量碳纖維等復合材料，在保證整體結構剛度的同時將負重感降至最低，同時多出安裝記錄人體步行狀態的傳感器，可感知患者穿戴上設備后的運動軌跡。

蘇州挪恩復合材料有限公司[30]研發了一種采用碳纖維材料來制作外骨骼機器人。在結構上，該機器人的機構自由度近似于人體下肢的自由度分布，機構的外形及質量分部類似于人體下肢，達到了擬人的理想狀態。在能源消耗上，由于其整體部件減重了約20%，大大減少了電力消耗。結合了新型材料碳纖維的可穿戴外骨骼產品應該會在未來實現普遍應用。

3 驅動方式

3.1 傳統驅動方式

穿戴式下肢外骨骼機器人傳統驅動方式主要包括液壓驅動、氣壓驅動、電機驅動等[31]方式。其中液壓驅動方式與氣壓驅動方式的原理相似，是以液壓油/氣體作為工作介質，通過液壓缸/氣缸分別連接在穿戴式外骨骼機器人的大腿、小腿和足部以實現穿戴式外骨骼機器人的人體活動。美國加州大學伯克利分校開展了伯克利下肢末端外骨骼(BLEEX)的項目研究[32]。BLEEX主要由機架主體、能源裝置、動力裝置、通信設備以及液壓控制系統等五部分組成，實時獲取運動及力等信息。賈山等[33]基于液壓驅動系統研制的動力外骨骼機構SPAEX,通過液壓傳動裝置調節關鍵部位輔助人體運動，基于人工智能檢測原理計算穿戴者的運動意圖。

Hong等[34]研發的一款下肢行走輔助裝置，通過氣壓缸驅動、力傳感器以及相位檢測器輔助該裝置完成對穿戴者的訓練，具有更好的舒適性。趙慧等[35]基于人體下肢外骨骼機器人結構設計理念，利用氣壓優勢設計了一款采用氣壓驅動方式的下肢外骨骼機器人。Yang等[36]基于自適應模糊人工神經網絡控制原理提出了氣動作動器下肢外骨骼，通過肢體與神經網絡控制的協調作用預算出得出穿戴者下肢動作。

電機驅動技術目前比較成熟，易控制，但也存在缺點，即電動機動態不夠平衡。Duong等[37]研發的PRMI外骨骼機器人，采用扁平電機與諧波減速器的組合對髓關節和膝關節進行驅動，姿勢儀、編碼器以及肢體上的傳感器組成了機器人的感知系統。周偉杰等[38]通過驅動伺服電機帶動外骨骼機器人運動，運用九軸傳感器對角度進行測量，一定程度上達到了對穿戴者的助力效果。He等[12]提出了智能可穿戴下肢外骨骼機器人(Auto-LEE)，其關節助力部分采用獨立直流電機驅動，基于人機交互模式研究出了多種通用步行算法。

3.2 現代驅動方式

3.2.1 人工肌肉驅動

人工肌肉驅動方式充分利用了擬人化的設計思想，仿照人體肢體關節的柔順性與協調性，從而使外骨骼機器人實現運動[39]。Hussain等[40]提出了一種符合要求的機器人矯形器使用氣動肌肉，機器人在矢狀平面允許髖關節和膝關節旋轉。Park等[41]基于氣動人工肌肉設計了一種可穿戴的踝足康復機器人，其機體結構采用了柔性結構，分析了自然狀態下踝關節的自由度，實現對受傷下肢的輔助康復訓練。

Galle等[42-43]基于氣動人工肌肉研究了一款氣動外骨骼機器人，該機器人可在踝關節提供跖屈助力，并在足部配有開關控制，經驗證，與未穿戴該設備比較，穿戴者大幅度降低了能量消耗。朱延河等[44]開發了一種采用氣動人工肌肉驅動的穿戴式下肢外骨骼機器人，該機器人在髖部驅動系統采用髖關節前屈驅動氣動人工肌肉、髖關節后伸驅動氣動人工肌肉，解決了現有下肢外骨骼機器人柔性差、仿生性能差與人體協調程度低等問題。

3.2.2 串聯彈性驅動

對于穿戴式下肢外骨骼機器人來說，僵硬的驅動系統不利于人體安全以及對環境的適應，因此，對驅動器柔順性以及舒適性的研究是必要的。應用最廣泛的柔順型驅動器是串聯彈性驅動器，它能夠大大提高驅動器的耐沖擊性，增加機體的平穩性[45]。Haeufle等[46]將離合器與彈簧并聯的驅動器應用于下肢外骨骼機器人；Kardan等[47]設計的FUM-KneeExo機器人由串聯彈性驅動器驅動，將兩個彈簧放置于滾珠絲杠機構的螺旋軸上，保證了驅動所需的柔順性。

Wang等[48]基于彈性聯合驅動方式研發了Mind-Walker下肢外骨骼機器人，該機器人系統采用扭轉彈簧、線性致動器聯合驅動，可達到90%的實際機械效率，保證了精確的聯合扭矩感知。李金良等[49]對于下肢外骨骼機器人踝關節混合柔性驅動做出了設計與研究，基于各種監測步態的傳感器，分析了不同步態相位下如何實現混合柔性驅動，對比了柔性驅動與剛性驅動的性能，從而進一步得出穿戴式下肢外骨骼柔性驅動的必要性。

3.2.3 其他驅動方式

在微型機器人領域中，常需要配套微處理器，其中壓電驅動[50]、功能性電刺激驅動方式[51]、超聲波電動機驅動、形狀記憶合金驅動[52]等是首要選擇。天津理工大學樊成等[53]應用ICPF(ionic conducting polymer film)高分子驅動器制作了無線游動微機器人, 該機器人具備在線編程和實時充電等功能，且能夠實現無聲前進、左右轉和避障運動等動作；劉林山等[54]研究的井下巡檢機器人仿生關節基于超聲電機驅動，采用基于DSP(digital signal processing)的電動機控制專用集成電路，分析了超聲電機控制策略，能夠完成此前較難實現的復雜算法，在未來發展中，可展望在穿戴式下肢外骨骼機器人的關節處理器上運用。

綜上，目前穿戴式機器人主要運用液壓、電機、氣動等驅動器驅動，在噪聲、體積、重量等方面存在不利影響，如何提高電機推重比，增加轉矩密度，縮小體積，有效地利用機器人空間是提高電機利用率的有效途徑；人工肌肉、串聯彈性等驅動發展對機器人事業的高速發展至關重要，但仍然存在一些技術難題。

4 新能源供應技術

目前，穿戴式下肢外骨骼機器人的驅動系統以及控制系統都需要供電裝置,傳統能源多采用蓄電池作為動力，如日本“HAL-5”[55-56]采用蓄電池提供能量，為患者的康復治療提供了能源保障，采用了電機驅動各個運動關節的關鍵技術，但機器人運動行程受到蓄電功能的影響，運行的有效時間往往只有幾個小時，影響機器人的運行時間，探索一種新能源技術成為研究領域關注的熱點，如燃料電池、太陽能能源、生物電池肌肉組織供電等。

早期，日本Speecys公司[57]制出的一款基于燃料電池提供動力的機器人，攜帶內置氫罐，通過一系列的化學反應能夠為裝置提供電力，且生電過程中無有害物質產生。同時在2018年推出的燃料電池安全機器人Oneberry RoboGuardTM，該系統與傳統的電池供電的機器人相比，可以長時間離網工作，極大增加了機器人運作的時間。

Yan等[58]通過梯度高氫稀釋技術，沉積接近非晶/納米晶轉變的非晶材料，制備出多結柔性非晶硅太陽能電池，提高了電池的有效利用率[59]。德國SFC公司研發的一種基于燃料電池技術與甲醇技術結合方式的新型燃料電池M-25[60]，其工作時續航能力增強，比同等時長的傳統電池輕，可借鑒相關技術研發一種更適合穿戴式下肢外骨骼機器人的新能源技術。

基于高效、低噪和輕小型的燃料電池、太陽能充電系統以及生物能源等新能源技術目前已在一些外骨骼機器人樣機上進行了少量探索性研究，未來有望成為外骨骼機器人的主要能源供應方式。由表2可知，穿戴式下肢外骨骼機器人續航時間跨度較大，負重區間主要集中在50～100 kg，行走速度趨于人體行走速度，主要使用可充電電池為機體提供能源。

表2 典型穿戴式下肢外骨骼關鍵技術指標

5 發展趨勢與展望

在面臨養老、國防、制造業大量需求的今天，穿戴式下肢外骨骼機器人有良好的發展前景。較為全面地回顧了近年來穿戴式下肢外骨骼機器人國內外的發展情況，總結了穿戴式下肢外骨骼機器人結構的主要類型，針對機體新材料的輕量化在穿戴式下肢外骨骼機器人運用方面進行了重點闡述，探討了傳統驅動方式與現代驅動方式在機器人中的優缺點與發展趨勢，并對能源方面的發展進行了展望。

未來穿戴式下肢外骨骼機器人應以輕量化、運動靈活和承擔較大負載為發展方向，更加依賴新技術材料的使用和驅動及能源供應等關鍵技術的發展，如何高效、持續供能是未來穿戴式下肢外骨骼機器人長時間運行亟需解決的難題。此外，基于新材料和新技術的融合結構設計方式也亟需改進，以滿足生產和生活的實際要求。