外骨骼机器人研究报告发展综

外骨骼机器人研究发展综述罗川摘要外骨骼机器人又称可穿戴机器人，是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的机器人。外骨骼机器人融合了传感、控制、驱动、信息融合、移动计算等综合技术为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构。本文简介了外骨骼机器人的发展历史以及国外研究现实状况，对外骨骼机器人的关键技术：机械构造设计，驱动单元，控制方略进行了研究，分析了其技术难点最终对其发展前景进行了阐明。关键词：外骨骼机器人关键技术目录引言31.发展历史及现实状况31.1国外发展历史现实状况31.2国发展历史现实状况32.关键技术分析32.1外骨骼机器人的构造设计32.2外骨骼机器人驱动单元32.3外骨骼机器人的控制方略33.外骨骼机器人技术难点分析34.前景展望34.1外骨骼机器人的研究方向34.2外骨骼机器人技术的应用3引言现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人可以轻易地完毕诸多艰苦的任务，例如举起、搬运沉重的负载等。虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力。与此同步，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完毕的任务不受人的智能的约束，而仅受人的体能的限制。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一种系统，将会带来前所未有的变化，这便是外骨骼机器人的设计思想。外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，同步又融合了传感、控制、驱动、信息融合等机器人技术，使得外骨骼可以在操作者的控制下完毕一定的功能和任务。本文通过简介外骨骼机器人的发展历史及研究现实状况深入分析了外骨骼机器人的关键技术，并对其技术难点以及发展前景作了阐明，以期在全面认识外骨骼机器人基础上对其开展深入深入研究。发展历史及现实状况1.1国外发展历史现实状况外骨骼系统的最早研究始于20世纪60年代。1962年，美国空军就规定康奈尔航空试验室进行一项采用主从控制方式的人力放大器系统的可行性研究。从1960年到1971年，美国通用电器企业开始研发一种基于主从控制的外骨骼原型机，名字叫做“Hardiman”，如图1所示。Hardiman采用电机驱动方式，可以像举起10磅那样来举起250磅的重物。不过，由于技术的限制，导致Hardiman的体积和重量过大，无法进行实际应用，慢慢停止了发展。同步期进行外骨骼研究的尚有贝尔格莱德大学的Vukobratovic等人，他们的研究重要用于辅助下肢瘫痪患者进行运动康复。尽管只实现了部分运动形式，不过研究过程中得到的平衡算法在双足步行机器人中得到了广泛应用。随即尽管人体外骨骼机器人经历过一段时间的沉寂，但到20世纪末，由于传感技术、材料技术和控制技术等技术的发展和多种军事、民用需求的凸显使得人体外骨骼机器人再次进入了蓬勃发展阶段，美国、日本和俄罗斯等国均针对人体外骨骼机器人开展了大量的研究工作。，美国国防高级研究计划局(DARPA)在出资五千万美元用于资助对可以增强人体机能的外骨骼(EHPA)的研究与开发，研制一种穿戴式的，具有自适应能力的外骨骼系统，使士兵在穿着外骨骼后，行军能力大大提高。DARPA的该项目资助了多家研究机构，重要有加利福尼亚大学伯克利分校机器人和人体工程试验室、OakRidge国家试验室、盐湖城人体机能研究所、“千年喷气机”企业、SARCOS企业等。其中伯克利分校、SARCOS企业和麻省理工学院展示了试验样机，其他单位则在传感驱感人机界面生物力学人因测试等方面进行了分析与试验。图2伯克利的BLEEX2004年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼机器人BLEEX是DARPA项目的第一台带移动电源和可以负重的下肢外骨骼机器人。如图图2伯克利的BLEEXBLEEX由一种用于负重的背包式外架、两条动力驱动的仿生金属腿及对应动力设备构成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源，以全面增强人体机能。BLEEX的每条腿具有7个自由度(髋关节3个，膝关节1个，踝关节3个)，在该装置中总共有40多种传感器以及液压驱动器，它们构成了一种类似人类神经系统的局域网。BLEEX的负重量能到达75kg，并以0.9m/s的速度行走，在没有负重的状况下，能以1.3m/s的速度行走。然而BLEEX由于构造复杂能量消耗大操作者长时间使用很不舒适因此未获得ＤＡＲＰＡ第二阶段的资助。BLEEX虽然未获得深入的资助不过Kazerooni专家和他的学生成立了伯克利仿生企业争取吸引风险投资并对骨骼服技术进行市场化运作设计开发了愈加轻便简洁实用的HULC（humanuniversalloadcarrier）如图３所示：图图3洛克希德马丁企业的HULCHULC被著名的武器承包克希德－马丁企业收购。HULC质量为24kg（不含电池）两块电池质量为3.6kg。士兵穿戴上HULC之后可以额外负重91kg，是BLEEX系统负重能力的3倍。电池可供以５km/h的速度持续行走3h。速度峰值可到达16km/h。可以说HULC是最靠近实战应用的一款骨骼服。目前正在进行深入的集成开发同步进行部队的演示验证试验。图4雷神企业的XOS-2雷神企业在收购了参与EHPA项目的SARCOS企业后，也推出了其研制的第一代全身型人体外骨骼机器人XOS。XOS可以在背负68kg且手持23kg的负荷时以1.6m/s的速度行进，并可实现弯腰下蹲和跪地等动作。第二代XOS机器人问世，如图图4雷神企业的XOS-2第二代XOS人体外骨骼机器人的能耗较第一代减少了二分之一，并且较第一代具有更强的负重能力，系统的敏捷度和响应速度深入提高。但其缺陷在于能量消耗仍旧较大，至今仍依赖地面供电。总之美国的骨骼服以军事应用为背景资助力度大资助围广对骨骼服各个方面的研究最为深入展现百花齐放的状态，研究水平居世界前列。图5筑波大学的HAL-5日本是当仁不让的机器人技术强国，不过骨骼服的军事意义相称明显，因此日本重要从骨骼服的民事应用入手在助残护理劳动等应用领域对骨骼服展开了广泛的研究，成绩明显。日本筑波大学于推出了世界上第一款商业人体外骨骼机器人(HAL)，目前已发展到第五代助力机器人HAL-5，如图图5筑波大学的HAL-5HAL-5是一种全身型助力机器人，其特点在于通过遍及全身的肌电传感器实现对人体运动信息的采集，并通过电机实现对各关节的助力。HAL-5重约15kg，其能源供应装置小巧，使用时间长，不过由于使用了肌电传感器导致其穿戴复杂，且易受干扰，目前仅用于民用领域。除此之外，日本神奈川理工学院研制的采用气压驱动的动力辅助服和本田企业采用非拟人设计的助力机械腿也已经进入样机制造阶段。国外其他国家的人体外骨骼机器人研究：俄罗斯目前研制出了一款战士-21的单兵作战服，其可以让士兵携带重物疾驰，且可以在电力耗尽时迅速脱下；法国防务企业与法国武器装备总署联合研制了名为“大力神”的协同可穿戴式外骨骼机构，意在使穿戴者可以轻松携带100kg重物，其电池可使穿戴者以4km/h的速度行进大概20km。同步，国、意大利及新加坡等国家也有有关方面的研究，但由于均没有进行公开演示，故有关资料较少。1.2国发展历史现实状况目前国开展人体外骨骼机器人研究的重要有大学、中国科技大学、华东理工大学及中国北方车辆研究所等大学和研究所。大学重要进行人机耦合的层次式控制框架的研究，并设计完毕了一种基于气动的外骨骼机器人样机。中国科技大学在人体外骨骼机器人的姿态感知及控制措施方面展开了大量研究，在有关姿态传感器方面获得了不少成果。华东理工大学也在做有关方面的研究，已完毕了一套液压驱动的实物样机。中国北方车辆研究所在人体外骨骼机器人的计算机虚拟建模及仿真方面做了深入研究，并在行走助力机器人用小型液压缸设计等方面有所突破。此外尚有诸多机构也展开了有关研究，如：海军航空工程学院对基于电机驱动的人体外骨骼机器人进行了研究；工业大学在助力机器人机构设计方面进行了一定研究。总体来看，由于国在人体外骨骼机器人研究方面起步较晚，大多处在理论研究阶段。同步由于资金支持力度较小，所设计的实物样机也均略显粗糙。关键技术分析外骨骼机器人从功能上看可分为如下几种子系统：机器人机械构造、动力输出及执行系统、姿态感知系统和控制系统。根据美国和日本对人体外骨骼机器人的研究成果，并结合在进行外骨骼机器人各系统设计过程中的经验教训，探讨外骨骼机器人各系统的某些关键技术。2.1外骨骼机器人的构造设计外骨骼规定良好的穿戴性和操作舒适性，这对外骨骼的机械系统设计提出了详细的规定。首先，外骨骼的设计必须在充足体现仿生学和人体工程学的基础上，尽量采用拟人化的设计手段。这一点不仅应当体目前详细的构造设计上，并且还要体目前目的功能的实现上。首先，外骨骼的构造应当尽量的模拟真实的人体下肢，尤其是在各个关节的布置和自由度的分派上；另首先，外骨骼上驱动元件的布置也要参照人体下肢重要的代表性肌肉的分布，从而模拟人体行走过程中这些肌肉的对应功能。同步，驱动元件和传感器件的数量也要尽量少，以到达增长系统鲁棒性和减少系统成本的目的。只有在满足这些条件的前提下，所设计的目的外骨骼才有也许和操作者协调运动且保证两者之间的互相干涉最小。另一方面，外骨骼的机械构造应当具有长度可调整性，即身材兼容性。由于不一样的人的身材不一样，即有高矮胖瘦之差，对应的，其下肢的几何尺寸也不尽相似，因此，所设计的机械下肢的尺寸应当容许在一定围可以进行调整，从而可以满足大多数人的使用规定，使其合用面更广。再次，外骨骼应当具有结实、耐用、轻巧、便携的特点。外骨骼在使用过程中，其机械构造不仅要能承受背在载物架上的多种负载的重量，还要可以承受在行走过程中来自地面的冲击力，因此应当首先保证构造的刚度。除此之外，由于本项目的最终目的是建立“自给式”的步行外骨骼，即外骨骼除了需要携带多种常规的仪器和工具之外，还需要随身携带其自身必须的能量供应系统和控制系统，因此外骨骼的本体构造要尽量的轻，这样不仅可以提高其携带有效载荷的能力，并且可以提高外骨骼的易操作性。外骨骼机构的另一项重点便是其安全性问题，作为和身体亲密接触的机械构造，必须以不对人体导致威胁为前提。外骨骼也许出现的安全问题是外骨骼和人肢体运动方向出现分歧。因此在连杆设计的时候必须考虑关节转动限位。2.2外骨骼机器人驱动单元外骨骼机器人的驱动系统和驱动器必须质量轻体积小，并且能提供足够大的驱动力矩或扭矩，同步要具有良好的散热性能。目前国际上的外骨骼设备常用的驱动系统重要有电动机驱动系统气压驱动系统液压驱动系统3种。目前日本的HAL机器人采用电机驱动方案，美国的HULC以及XOS-2机器人采用液压驱动方案，日本神奈川工科大学成功研制的全身型外骨骼机器人（powerassistsuit，PAS）采用的气压传动装置可将使用者的力量增长0.5~l.0倍。三者各有优缺陷。电机驱动方案的控制模式简朴、直接，控制精度较高，响应快，维护和使用以便，驱动效率高，不污染环境等诸多长处。但能输出较大扭矩的电机体积却较大，不适宜布置，影响系统的灵活性；液压驱动方式虽然具有可控性强、传动平稳、驱动力矩大等特点，合用于高速重载的搬运和零件加工机器人。不过在控制响应速度和精度上有先天的局限性，且成本高、构造复杂、能量使用率低、密封困难等问题；气压驱动轻易到达高速、介质无污染、使用安全、工作压力低，制造规定比液压元件低、管理维护比较轻易，不过气动装置的信号传递速度较慢，其稳定性较差，难以控制，噪声较大。2.3外骨骼机器人的控制方略外骨骼机器人和其他机器人的最大区别在于它的操作者是人，而不是机器，操作者处在回路中，即“人在回路中（ManinLoop）”，操作者与外骨骼具有实实在在的物理接触，形成了一种人机耦合的一体化系统。人机耦合系统的控制目的就是要使人和机器可以协调地工作，完毕任务。(1)预编程控制：外骨骼中有诸多是基于康复目的的有外部能源驱动的步态矫正装置。这些装置重要是下肢外骨骼，用于支撑重量，对操作者进行下肢康复训练。这些外骨骼装置通过预先编好的程序来运行，装置的运动轨迹是预先编程设计好的，设计时根据正常人的运动步态来设计并有所改动以适应于矫正装置，但操作者只能进行有限的干预。基于程序控制的康复矫正装置都需要患者使用手杖或者额外的辅助框架来保持操作者行走的稳定，并且实现的运动形式也十分有限。(2)基于人体脑电信号(EEG)的外骨骼控制方略：EEG是人的大脑皮层产生的一种电脑波，可以直接反应人体运动意图。伴随脑机接口技术的发展，EEG在智能假肢和仪器控制上有了较大发展，不过脑电信号微弱，噪声大，研制成本高，提取困难，数据处理程序较为复杂。该方式常用于肢体瘫痪患者的助力装置设计，但操作者使用该类型装置时必须集中思想，不能分散，否则会影响装置运转，不合用于操作者同一时刻执行多重脑部指令任务。为巴西世界杯开出的第一個球的瘫痪少年身穿一款被命名为“Bra-SantosDumont”的“外骨骼”，这套装置就是通过患者大脑意识活动进行控制的。(3)基于人体表面肌电信号(sEMG)的外骨骼控制方略：sEMG是一种复杂的表皮下肌肉电活动在皮肤表面处的时间和空间上的综合成果，可以直接反应人肢体的动作信号，广泛地应用于肌肉运动、肌肉损伤诊断、康复医学及体育运动等方面的研究，尤其是在智能假手方面已经有了成熟的技术；日本筑波大学山海嘉之研制的HAL-5外骨骼机器人就是使用贴附在人体皮肤上的电极检测微弱的生物电流，不过肢体的EMG信号和关节运动力矩之间的关系并不是完全确定的，并且还要考虑肌力力臂和不一样个体生理状况的影响，因此使用EMG信号的控制器一般合用于特定操作者的个体设备。此外测量肌电所采用的大部分的电极或传感器必须和人体表面皮肤紧密接触，而在大幅度运动下，此类型传感器轻易脱落、易位，并且长时间运动后，人体出汗会影响传感器的测量；EMG信号中往往包括很强烈的噪声，必须通过额外的处理才能应用于系统中；传感器每次都要贴到人体表面，使用不便。(4)基于运动力学信号的外骨骼控制方略：人体穿上外骨骼行动时，人体动作、人和外骨骼之间、外骨骼和地面之间都会产生运动力学信号，根据这些信号可以采用诸如主从控制、直接力反馈控制、地面反作用力控制、ZMP控制等控制方略。这些信号较为稳定、有规律，不易受干扰且易于采集，但为保证信号采集的迅速性和精确性，必须在外骨骼和人体上使用大量不一样类型传感器装置，并且传感器在外骨骼上的合理配置对于运动信息采集的迅速性和精确性有很大的影响，故其构造和硬件设计较为复杂。美国伯克利大学的BLEXX和雷神的XOS系列外骨骼运用大量不一样类型传感器元件采集运动信息，以到达对外骨骼机器人行为动作和平衡控制，保证使外骨骼迅速精确地响应人体的动作。上述几种控制方略单独应用于外骨骼机器人都存在一定的技术缺陷。预编程控制方式会限制外骨骼动作模式的扩展性；脑电信号控制方式会影响人脑对其他动作的控制，易受到外界环境的干扰；肌电信号控制方式安装规定高，穿戴不以便并且轻易脱落；基于运力学信号的控制方式对传感器选择和配置方案有较高规定，其硬件较为复杂。3.外骨骼机器人技术难点分析在开发一套外骨骼系统的整个过程中，目的功能最终能否顺利实现取决于诸多原因的共同影响和作用，包括设计拟人化的人体下肢外骨骼机构、选用高效的控制方式和控制方略等，处理了这些问题才能使外骨骼系统不仅可以跟随操作者完毕必要的肢体运动，并且可以对人体步行适时提供助力，从而大幅度提高人的运动及负载能力。详细来说，为实现最终的功能规定，在整个外骨骼系统的研发过程中，重要存在如下几大技术难点：(1)拟人化外骨骼机构的合理设计。包括：外骨骼机械构造和关节运动副的优化设计，驱动器件和传感器件的合理选择与集成设计，运动自由度的分派和冗余自由度选择等，以便使人穿戴舒适、操作灵活、最大程度地拓展人的活动围，这是外骨骼开发过程中首先需要处理的一大关键问题。(2)外骨骼步态规划与生成及其运动稳定性问题。步态的规划和生成重要有两种方案：a“离线规划，在线校正”。根据人体运动学记录数据进行外骨骼步态的规划，并且依托对执行器的精确控制来完毕步态的生成；在操作者穿着行走时，外骨骼可以通过和操作者的交互来实时校正和调整步态。b外骨骼步态学习与复现。除了使用已经有的人体运动学记录数据实现步态的生成外，还可以采用先让外骨骼自己跟踪和学习操作者的步态，继而将原步态完整复现的控制方略，增长操作者穿着步行时的舒适感。同步，必须保证外骨骼步态的稳定性调整围不能超过人体可以调整的围，以保证行走的平稳和穿戴者的安全。(3)外骨骼和操作者的协调运动问题。外骨骼的控制算法要能保证它可以和操作者一直保持协调一致的运动节奏，以使两者之间的互相干涉作用最小，并可以根据人的运动意图来适时提供助力。保证人穿戴后，运动承担减小，即穿戴外骨骼后行走同样距离的旅程人体所消耗的能量比没有穿戴外骨骼时所消耗的能量少。要采用愈加符合外骨骼构造实际状况的模型进行运动学及动力学分析，提高运动学和动力学模型的实用性。改善既有的跟随控制方略，使跟随系统效率更高。总之，在人体外骨骼机器人控制系统设计时，需把握4个原则：减少行走干涉，减少系统复杂度和成本，具有自适应学习能力，简化控制方略。(4)驱动器和驱动系统的选择。既要有较轻的重量，较小的体积，又必须具有较大的驱动力或驱动扭矩，同步还要有良好的散热性能。这也是可穿戴式的外骨骼系统能否实现“构造紧凑”、“轻巧便携”和“携带动力”等几大要素的关键问题。(5)样机材料的选择。由于下肢步行外骨骼是穿戴在人身上，与人一起运动的，因此必须规定外骨骼非常轻便，同步又要具有很好的刚度，以承受人体和重物的重量以及与地面的碰撞，因此也许需要选用某些新型的复合材料作为样机的制作材料。外骨