人体下肢外骨骼机器人的步态研究现状
王楠，王建华，周民伟
外骨骼（exoskeleton ）一词来源于生物学，是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构[1]，如甲壳类和昆虫等节肢动物的外骨骼系统。人体外
骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置结合为一体的机器人[2]。美国于2000年开展了“增强人体机能的外骨骼”（Exoskeletons for Human Performance Augmentation ，EHPA ）研究项目[3-4]，自此，外骨骼机器人的开发与应用逐渐进入
人们的视线，成为关注的焦点。由于外骨骼机器人不仅为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，还能在操作者的控制下完成一定的功能和任务，因此在下肢功能障碍患者的步行功能锻炼过程中的应用逐渐增多[5-7]；此外，其在单兵作战装备
【摘要】外骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置相结合的一种机器人，不仅可以为操作者提供保护、身体支撑等功能，还可以在操作者的控制下完成一定的功能和任务，应用前景巨大。文中阐述人体下肢外骨骼机器人下肢外骨骼实现行走应具备的关节及其活动度，介绍下肢外骨骼机器人步态控制的基础——正常步态分析，详细论述了目前控制下肢外骨骼机器人行走及步态稳定性的主要方法。
【关键词】下肢；机器人；外骨骼；步态
中图分类号：R-05，R336文献标识码：A 文章编号：1674-666X(2012)01-0062-06
Current researches of gait analysis on human lower extremity exoskeleton robotic device
WANG Nan,WANG Jianhua,ZHOU Minwei.Department of Overseas Chinese,Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command,Guangdong 510010,China
【Abstract 】Exoskeleton robotic device is a kind of robot that combines the intelligence of human with the mechanical power of machine,which can not only provide protection and support for operators but also accomplish certain functions and missions under the control of operators.In this paper,relative key factors of lower extremity exoskeleton robotic device techniques are introduced briefly such as the joints and the range of motion (ROM)which the lower extremity exoskeleton should be equipped,the normal gait analysis which is the basis of gait control of the exoskeleton robot,and then the major walking control methods and gait stability control methods for lower extremity exoskeleton robotic device which are discussed in detail.
【Key words 】Extremities;Robotics;Exoskeleton;Gait
DOI ：10.3969/j.issn.1674-666X.2012.01.010
基金项目：广东省科技计划项目（2010B010800006），广州市科技计划项目（2010J-E311）
作者单位：510010广州军区广州总医院华侨科（王楠）；脊柱外科（王建华）；医务部（周民伟）E-mail ：115989930@https://www.doczj.com/doc/7b13715010.html,
综述
研发等军事领域也获得了广泛应用[8-9]。
对正常人体行走时的步态分析是人类下肢外骨骼设计的一个重要研究方面[10-11]。由于人体下肢外骨骼需要辅助人体的承载并跟随人体一同活动，故对外骨骼的设计必须考虑外骨骼与操作者之间动作的协调性和一致性，且应与人体下肢具有相同的关节活动度。因此，分析正常人体下肢活动特点及行走时的步态是设计下肢外骨骼并实现行走的基础。在此基础上设计下肢外骨骼应具备的关节及关节活动度，然后通过人机互动操作外骨骼，并对外骨骼机器人步态的稳定性进行控制，从而完成外骨骼机器人系统的仿生设计。
1关节及其活动度
正常人体下肢的主要大关节包括髋关节、膝关节和踝关节，其余和行走相关的关节包括膝部的髌股关节、足部的跖趾关节和趾骨间关节等。关节的运动主要是沿着3个相互垂直的轴所进行的运动，包括沿冠状轴的前屈和后伸运动、沿矢状轴的内收-外展运动以及沿垂直轴的内旋-外旋运动等，而关节活动度就是指关节运动时所通过的运动弧。正常的关节活动范围是正常运动必不可少的前提条件之一。髋关节正常活动度为：屈曲130°～140°，后伸10°～30°，内收20°～30°，外展45°～60°，内旋30°～45°，外旋40°～50°[12]。膝关节正常活动度为屈曲120°～150°，一般伸直0°，有时过伸状态约为5°～10°，当膝关节屈曲时，股骨两侧髁后部进入关节窝，嵌锁因素解除，侧副韧带松弛，膝关节可绕垂直轴作轻度的旋转运动，内旋外旋各10°左右[13]。踝关节正常活动度为背伸约35°，趾屈约45°，在跖屈时，足可做一定范围的侧方运动，约30°[14]。
为了简化研究过程，降低分析难度，根据正常人体行走时下肢运动的习惯，设计的下肢外骨骼机器人至少应包括髋、膝、踝关节[15]。从生理角度分析，髋、膝、踝关节对于稳定有效的行走来说是必不可少的，髋关节主要用于摆动双腿，实现迈步并使上肢躯体前倾或者后仰，以便在步行过程中起到辅助平衡的作用；膝关节主要用来调整重心的高度以及摆动腿的着地高度，使之与地面的状态相适应；而踝关节则用来与髋关节相配合以实现支撑腿和上躯体的移动，并调整脚掌与地面的接触状态，从而完成步行过程[16]。
下肢外骨骼机器人应具备的自由度和活动度需要根据正常人体下肢关节的功能来设计[17-18]。髋关节主要实现大腿的大角度运动、腰部的转动及躯干的弯曲，需根据髋关节活动度设置屈伸、收展、旋转3个自由度；膝关节实现小腿的大角度摆动，需根据膝关节活动度设置屈伸1个自由度，膝关节旋转可忽略；踝关节实现足部围绕踝关节的上下大角度屈伸及左右小角度旋转，需要设置2个自由度。但出于安全因素方面的考虑，外骨骼机器人的关节活动度应略小于正常人体的关节活动度。
2正常步态分析
正常步态即正常人体采用最自然、最舒适的姿态行进时的步态。它应具有3个特点：身体平稳、步长适当、耗能最少[19]。Grabiner等[20]认为，正常的步态必须具备以下条件：支撑期稳定性好，摆动期足部放松，有足够的步长，膝关节在支撑期吸收震荡且积蓄能量，在摆动期能够带动小腿和足部运动。
步态分析是外骨骼机器人设计中不可或缺的技术环节[21-22]，它通过生物力学和运动学手段，揭示正常步态的关键环节和影响因素，从而有助于外骨骼机器人的步态机理研究、步态控制及行走稳定性控制方法的研究等。
在人体正常行走过程中，1个步态周期是指从一侧脚跟着地开始到该脚跟再次着地。通过对正常人体行走步态的研究，1个步态周期可抽象出3个典型步态时相：单支撑相、双支撑相及摆动相。Chu等[23]通过正常步态分析得出不同步态时相时髋、膝、踝关节角度及扭矩的动态变化，为该研究小组设计外骨骼机器人提供参考。赵凌燕等[24]以健康男性青年为对象，对人在行走过程中髋关节
的旋转运动进行实验研究，采用扩展广义Sigmoid 型函数的方法进行模型化描述，结果表明，身高和行走速度对髋关节运动幅度有显著性影响。王西十等[25]基于膝关节的解剖特征，得出膝关节在矢状面内运动时的运动协调约束方程，为建立人体下肢生物动力模型提供理论依据。赵彦峻等[26]在对外骨骼机器人进行前期设计及后期仿真过程中，根据行走步态各个时相不同的运动特点，采用多体系统动力学方法（如拉格朗日方程）分别对不同的时相建立不同的运动学和动力学的数学模型，以此为基础成功设计了具有辅助士兵承载能力的人机一体化下肢外骨骼。
3外骨骼机器人步态控制
外骨骼机器人具有多关节、多驱动器和多传感器的特点，它与其它机器人最大的区别在于，其与操作者之间形成一个人机耦合系统，操作者处于系统回路中，与外骨骼有物理接触[27-28]。因此，步态控制及稳定性控制的研究成为外骨骼机器人仿生设计中最重要的一环。
对于步态控制，目前主要有操作者自行控制、肌电传感器控制[29]、灵敏度放大控制[30]等方法；对于步态稳定性控制，则主要有数字信号处理（digital signal processing，DSP）系统控制、模糊比例积分微分（proportion integration differentiation，PID）控制[31]、零力矩（zero moment point，ZMP）控制[32]等。
3.1步态控制
3.1.1操作者自行控制对于下肢功能完全丧失的患者，可以采用上肢的活动来控制外骨骼机器人，从而获得下肢功能。归丽华等[33]认为，上肢和下肢具有相似的运动轨迹，只要测量出上肢的运动，就可以通过机械装置换算为下肢的运动。作者借助这种上臂运动可控制外骨骼同时运动的方法，成功研制出能量辅助骨骼服NAEIES系统。Johnson等[34]设计一种运动辅助装置，在瘫痪、截肢、下肢麻痹患者的手部安装开关，将不同的手指运动对应下肢相应关节的活动，达到一对一映射，从而获得下肢行走功能。这类控制方式使操作者可以自行控制下肢外骨骼机器人的活动，充分利用了人的智能，但缺点也是显而易见的，如操作者在行走时上肢不能进行其他活动等。
3.1.2肌电传感器控制对于下肢仍有部分功能的患者，或需增强正常机能的士兵等，可采用肌电传感器控制，在操作者下肢皮肤表面安装传感器，通过提取肌电图（electromyography，EMG）信号、分析EMG信号与肌肉力[35]、关节扭矩[36]的关系、提取运动模式特征、识别动作模式等过程，进而达到控制外骨骼机器人的目的。以此方法为代表的外骨骼机器人为日本的HAL（hybird assistive leg）-3[37-38]。其缺点主要是传感器贴在肌肉表面，剧烈活动时易脱落，不适合军事用途；且每次使用均需贴传感器，较为繁琐；此方法也不适用于下肢功能完全丧失的患者。
3.1.3灵敏度放大控制美国加州大学伯克利分校研制的BLEEX（Berkeley lower extremity exo-skeleton）[39-40]采用灵敏度放大控制（sensitivity amplification control，SAC）方法，将人作用在外骨骼机器人上的外力定义为灵敏度函数，然后最大化该函数，以便实现用较小的力控制外骨骼运动的目的。此法不需在人体上安装传感器，仅通过安装在骨骼服上的传感器来实现控制，使操作者感受到的外力降低，舒适度增强。其缺点主要是难以建立精确的数学模型[41]。
3.2步态稳定性控制
3.2.1DSP系统控制基于DSP系统的步态控制方法分为步态数据离散化和对每个周期的步态角度误差补偿两个过程。首先将步态数据离散化为若干个离散时间，即将1个步态周期T分为若干个离散时间Δt，由规划的步态周期中的关节角度值与离散的Δt时间以及执行机构的几何关系计算出执行机构对应的离散长度值，最终得到驱动电机的线性参数。由于电机传动过程和机器人执行过程中将出现不可避免的误差，因此需进行误差补偿，以实时减少因误差带来的实际步态与理论步态的偏差。钟翠华等[42]采用DSP控制方法设计的助行
外骨骼机器人已通过样机试验验证，获得了较好结果。
3.2.2模糊PID控制PID控制即是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量而进行的控制[43-45]。徐建安等[46]提出一种基于参数分配器的模糊PID运动控制系统，并在自行研制的移动机器人上进行运动控制和抗干扰实验研究，结果表明，该方法弥补了常规PID运动控制系统对非线性系统难以适应的不足，既缩短了动态调整时间、减小了稳态误差，又提高了系统的稳定性。3.2.3ZMP控制ZMP理论为步行稳定性的经典理论，ZMP是地面上的一点，外骨骼机器人所受所有外力的力矩水平分量为0，也就是说整体对于这一点的前向、侧向力矩为0。机器人在动态行走时，若ZMP落在双脚之间的支撑区域内，则其运动是稳定的。理想状况下，实际ZMP与期望ZMP 重合，且始终位于支撑区域内[47]。但由于地面状况、机械精度等的差异，实际ZMP与期望ZMP往往不在同一点，从而使外骨骼机器人步态不稳定，此时需要操作者或机器智能调整步态，使之回归稳定。陈占伏等[48]在机械系统仿真分析软件（automatic dynamic analysis of mechanical system，ADAMS）中建立外骨骼的虚拟样机模型，并对外骨骼行走模型进行仿真，通过对比仿真结果验证了外骨骼模型处于ZMP意义下的动态稳定状态。
4结语
外骨骼机器人在康复医学、单兵作战装备等方面应用前景巨大。尽管目前相关研究中尚有部分难题未能解决[49-51]，如外骨骼机器人对不平整地面的适应性有待提高，能源消耗大导致整个系统体积庞大且使用时间短暂等等。但随着数学、计算机科学的发展以及核能等新能源技术的不断进步，相信在不远的将来，这些课题将会有重大突破。在解决了以上基本问题后，下肢外骨骼机器人下一步将有可能向个性化趋势发展（即根据每个使用者行走习惯的不同而不断进行智能学习），提供个性化运动模式，真正实现人与机器的完美结合。
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（收稿日期：2011-12-30；修回日期：2012-02-01）
（本文编辑白朝晖）
第五届上海国际脊柱畸形、微创及非融合技术大会会议通知
为促进我国脊柱外科领域的学术交流及发展，由第二军医大学附属长海医院主办的第五届上海国际脊柱畸形、微创及非融合技术大会，将于2012年3月30日—4月1日在上海召开。
本届会议邀请近二十位国外和数十位国内著名骨科专家，将重点对近年来脊柱畸形矫治、脊柱微创与非融合技术等脊柱外科领域的热点和难点问题进行深入探讨。大会会前学习班为国家级继续教育项目，由国内外大师级专家采用专题讲座、热点讨论等多种形式做精彩演讲。
欢迎登陆https://www.doczj.com/doc/7b13715010.html, 了解会议详情。
消息
人体下肢外骨骼机理分析 xx （xx,xxxx,xxxx） 摘要：本论文研究穿戴型下肢外骨骼机器人机构。所研究的外骨骼是一种可以穿戴于人体的机械装置。这种外骨骼依靠人的运动信息来控制机器人，通过机器人来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的远行、负重等任务。这种外骨骼也可以用来检测人体运动信息，作为康复医疗器械使用。下肢穿戴外骨骼机器人是一种具有双足步行特征的典型的人机一体化系统。 关键词：穿戴外骨骼；助力机器人；机构设计；仿真分析 ANALYSIS AND DESIGN OF LOWER EXTREMITY EXOSKELETON (Mechanical Manufacturing and Automation.,No.:xxxxxxxx,Email:xxxxxxxx@https://www.doczj.com/doc/7b13715010.html,, phone:xxxxxxxxxxx) Abstract：This paper researched a kind of wearable lower extremity exoskeleton robot. The exoskeleton is a mechanism which could match the human body. It relied on human motion information to control the robot, and accomplish the travel, loading and other tasks that can not be completed by people's own capacity lonely. The exoskeleton can also be used to detect human motion information, and as the rehabilitation of medical devices. Lower extremity exoskeleton robot is a kind of typically man-machine integrated system with some biped walking robots’ characters. Keywords：Wearable exoskeletons; Assist robot; Mechanical design; Simulation and Analyze 1引言（Introduction） 外骨骼是一种给人穿戴的人机一体化 智能机械装置，它将人类的智力和机械装置的“体力”结合在一起，靠人的智力来控制机械装置，通过机械装置来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的任务。下肢外骨骼是一种用来辅助人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的运动控制能力来控制机器人的行走，简化了自主行走式两足机器人最为常见的步态规划 和步态稳定性问题，同时它又为人类的行走提供动力协助，增强人类行走的能力和速度，特别是能够缓解人在大负重和长时间行走 情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人类的运动范围，能够增强个人在完成某些任务时的能力。人体下肢外骨骼作为单兵系统的一部分，起到了提高士兵承载能力的作用，避免了士兵由于沉重负荷而导致的身体机能 的下降，从而提高了士兵的抵抗能力，对最终提高士兵的战斗力和生存力起到了重要 作用。故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。 2人体外骨骼的研究背景（The background of exoskeletons） 人体下肢外骨骼机器人成为机器人领域的一个热门分支，已越来越受到学术界和工业界关注。目前，国外特别是美国、日本在这方面已经取得了巨大的进展，并逐步商业化，成为新兴产业。但国内仅有少数科研单位从事可穿戴助力机器人的研究，起步较晚，基本处在实验室试制阶段，离实用还有一定的距离。
第二十一届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛项目论文 外骨骼机器人设计、控制机理研究 院（系）名称自动化科学与电气工程学院 专业名称自动化 学生姓名刘旭郑博文徐健伟 学号刘旭38030410 郑博文38030423 徐健伟38030518 指导教师刘正华副教授 2011年4月1日
摘要 外骨骼，类似某些动物的外壳，是一种能穿在人身上,提供额外的动力的机械装备，能够实现行动障碍人士的康复训练以及负重行走等功能。它主要分为三个部分：机械部分，软件部分，电气部分。其中机械部分的主要作用是承担负重，保证系统能实现运动的功能；软件部分主要用于整个系统的数据采集、控制信号的发出；电气部分主要用于给系统供电、完成信号采集、发送和运动的功能。我们设计制作了一种外骨骼机器人。本文针对此项作品主要介绍了当前外骨骼机器人的研究现状和本作品的制作背景，阐述了一种负重型外骨骼机器人的设计过程及相关结构。本文是对“外骨骼机器人设计、控制机理研究”作品的比较全面的介绍。 关键词外骨骼，机器人，PID控制，电机控制，虚拟样机 Abstract Exoskeletons, like the shells of some sorts of animals, are a kind of mechanical equipment that can help the disabled to learn to move normally and provide the users with extra strength to bear more than he can actually do walking or running. In general, it can be divided into three parts, mechanical part, software part and electrical t part. Among these, the mechanical part is used to bear the weight, the software part is to get state data and send out control signal and the electrical part is to power the system, pick signal and move. We have already made a sort of this, and with regard to it, this article is mainly about the previous studying condition and the background of this work. In addition, the procedure of our designing and working with the kind of exoskeletons is specifically described. This article is a comprehensive introduction to our work …The design of a sort of exoskeletons and study of how to control it?. Abstract Exoskeletons, Robort , PID Control, Motor control, Virtual prototype
外骨骼助力机器人研究现状与关键技术 分析 王庆江 深圳第二高级技工学校广东深圳 518000 摘要：运用比较传统的运载方法以及在工具受到多方面因素的制约，在比较复杂的地形条件之下，传统运载工具不能够很好的工作，而外骨骼助力机器人有效地解决了这个问题，是一个非常明显的突破。因此，在当前世界各地，外骨骼助力机器人的研究有着非常好的前景。本文从不同方面分析外骨骼助力机器人的发展状况，主要分析了外骨骼助力机器人所涉及到的关键技术，并且作出深入的研究。 关键词：外骨骼助力机器人；研究现状；关键技术外骨骼助力机器人是一种全新的现代化装置，这种机器人融合多种信息,控制系统传感系统集于一身,并且为穿戴人员控制好功能和任务。外骨骼助力机器人是一种前沿技术装备，受到多方的关注并且取得了突出的效果。在我国，外骨骼助力机器人研究借鉴先进技术，并且不断地创新，主要研究外骨骼助力机器人在我国国内的发展现状以及其关键技术分析。 1.在国内外，外骨骼助力机器人的研究现状分析 随着时代的进步以及科技的不断发展，最新型的材料和技术充分应用在外骨骼助力机器人的发明上，促使外骨骼助
力机器人得到很好的发展。在一些发达国家，对外骨骼助力机器人进行改良，并且不断创新，经过努力，在我国国内对于外骨骼助力机器人的发明和创新也取得了很明显的成效。下面将归纳分析目前为止国内外外骨骼助力机器人的研究状况。 1.1国外对于外骨骼助力机器人的研究状况分析 表1 国外对于外骨骼助力机器人的研究表 1.2我国国内对于外骨骼助力机器人的研究状况分析 表2 国内对于外骨骼助力机器人的研究表 2.外骨骼助力机器人关键技术分析 2.1驱动技术 2.1.1液压驱动 通过运用液压驱动能够在很大程度上帮助外骨骼助力
下肢外骨骼机器人研究现状及发展趋势 外骨骼机器人是可以穿戴在人身体外部的人机一体化机械结构，它与穿戴者一起行走，为其提供助力和保护。详述了下肢外骨骼机器人在各领域的应用，并分别列举各领域的应用实例，分析了下肢外骨骼机器人在设计过程中要解决的关键技术，介绍了外骨骼机器人几种不同的驱动方式，并进行对比分析其优缺点，对下肢外骨骼机器人技术的发展趋势进行预测。 标签：下肢外骨骼；机器人；可穿戴 Abstract：Exoskeleton robot is a human-machine integrated mechanical structure which can be worn on the outside of the human body. It walks with the wearer to provide assistance and protection. The applications of the lower limb exoskeleton robot in various fields are described in detail，and the key technologies in the design of the lower limb exoskeleton robot are analyzed. This paper introduces several different driving modes of exoskeleton robot，analyzes their advantages and disadvantages，and forecasts the development trend of lower limb exoskeleton robot technology. Keywords：lower limb exoskeleton；robot；wearable 引言 在自然界中，外骨骼是一种能够保护和支撑生物柔软內部器官的外部结构，比如螃蟹、蜗牛、昆虫等生物的甲壳。由此，科学们提出了外骨骼机器人的概念-用于保护穿戴者并为其提供额外的动力。比如家庭用辅助型外骨骼机器人可协助年老体弱者正常行走；医用康复外骨骼机器人可使残疾人像正常人那样重新站立起来；军用负重式外骨骼可使士兵在携带负载的情况下依旧健步如飞。由此可见，外骨骼机器人既有研究价值，也有很高的实用价值，已成为国内外科学家们研究的一个重点方向，其发展前景十分广阔[1]。 1 下肢外骨骼机器人研究现状 随着科学技术的发展，比如在仿生学技术、智能控制技术、传感器技术和材料技术等相关领域的突破，外骨骼机器人技术的研究也取得了很大的进步[2]。下面简要介绍下肢外骨骼机器人的研究现状。 外骨骼机器人主要分为三大类。第一类是助力型外骨骼机器人，主要面向健康人群，提高人的负载能力，用于军事领域，可增强士兵负重能力。这方面比较成功的是洛克希德·马丁公司研制出的HULC型外骨骼机器人[3]（如图1 所示）。它总质量约为32kg，主要通过电池提供能量，蓄电池在充满电之后可使士兵在负载90kg并以16km/h的速度行驶的情况下行走一个半小时。其特点
人体下肢外骨骼机器人的步态研究现状 王楠，王建华，周民伟 外骨骼（exoskeleton ）一词来源于生物学，是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构[1]，如甲壳类和昆虫等节肢动物的外骨骼系统。人体外 骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置结合为一体的机器人[2]。美国于2000年开展了“增强人体机能的外骨骼”（Exoskeletons for Human Performance Augmentation ，EHPA ）研究项目[3-4]，自此，外骨骼机器人的开发与应用逐渐进入 人们的视线，成为关注的焦点。由于外骨骼机器人不仅为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，还能在操作者的控制下完成一定的功能和任务，因此在下肢功能障碍患者的步行功能锻炼过程中的应用逐渐增多[5-7]；此外，其在单兵作战装备 【摘要】外骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置相结合的一种机器人，不仅可以为操作者提供保护、身体支撑等功能，还可以在操作者的控制下完成一定的功能和任务，应用前景巨大。文中阐述人体下肢外骨骼机器人下肢外骨骼实现行走应具备的关节及其活动度，介绍下肢外骨骼机器人步态控制的基础——正常步态分析，详细论述了目前控制下肢外骨骼机器人行走及步态稳定性的主要方法。 【关键词】下肢；机器人；外骨骼；步态 中图分类号：R-05，R336文献标识码：A 文章编号：1674-666X(2012)01-0062-06 Current researches of gait analysis on human lower extremity exoskeleton robotic device WANG Nan,WANG Jianhua,ZHOU Minwei.Department of Overseas Chinese,Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command,Guangdong 510010,China 【Abstract 】Exoskeleton robotic device is a kind of robot that combines the intelligence of human with the mechanical power of machine,which can not only provide protection and support for operators but also accomplish certain functions and missions under the control of operators.In this paper,relative key factors of lower extremity exoskeleton robotic device techniques are introduced briefly such as the joints and the range of motion (ROM)which the lower extremity exoskeleton should be equipped,the normal gait analysis which is the basis of gait control of the exoskeleton robot,and then the major walking control methods and gait stability control methods for lower extremity exoskeleton robotic device which are discussed in detail. 【Key words 】Extremities;Robotics;Exoskeleton;Gait DOI ：10.3969/j.issn.1674-666X.2012.01.010 基金项目：广东省科技计划项目（2010B010800006），广州市科技计划项目（2010J-E311） 作者单位：510010广州军区广州总医院华侨科（王楠）；脊柱外科（王建华）；医务部（周民伟）E-mail ：115989930@https://www.doczj.com/doc/7b13715010.html, 综述
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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。本文介绍了外骨骼机器人的发展历史以及国内外研究现状，对外骨骼机器人的关键技术：机械结构设计，驱动单元，控制策略进行了研究，分析了其技术难点最后对其发展前景进行了说明。 关键词：外骨骼机器人关键技术
引言 (5) 1.发展历史及现状 (6) 1.1国外发展历史现状 (6) 1.2国内发展历史现状 (9) 2.关键技术分析 (11) 2.1外骨骼机器人的结构设计 (11) 2.2外骨骼机器人驱动单元 (12) 2.3外骨骼机器人的控制策略 (12) 3.外骨骼机器人技术难点分析 (15) 4.前景展望 (17) 4.1 外骨骼机器人的研究方向 (17) 4.2外骨骼机器人技术的应用 (17)
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成很多艰苦的任务，比如举起、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。与此同时，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完成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，综合为一个系统，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，同时又融合了传感、控制、驱动、信息融合等机器人技术，使得外骨骼能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。本文通过介绍外骨骼机器人的发展历史及研究现状进一步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说明，以期在全面认识外骨骼机器人基础上对其开展进一步深入研究。
外骨骼机器人研究发展综述 李罗川
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。本文介绍了外骨骼机器人的发展历史以及国内外研究现状，对外骨骼机器人的关键技术：机械结构设计，驱动单元，控制策略进行了研究，分析了其技术难点最后对其发展前景进行了说明。 关键词：外骨骼机器人关键技术
目录 引言 (4) 1.发展历史及现状 (5) 1.1国外发展历史现状 (5) 1.2国内发展历史现状 (9) 2.关键技术分析 ...................................................................................................................... 1..1 . 2.1外骨骼机器人的结构设计..................................................................................... 1..1... 2.2外骨骼机器人驱动单元.......................................................................................... 1..2... 2.3外骨骼机器人的控制策略..................................................................................... 1.. 3... 3............................................................................................................ 外骨骼机器人技术难点分析................................................................................................................. 1..6... 4............................................................................................................ 前景展望 ........................................................................................................................................................ 1..8 . 4.1外骨骼机器人的研究方向..................................................................................... 1..8... 4.2外骨骼机器人技术的应用 .................................................................................. 1...8..
外骨骼技术研制始于1960 年代的美国，最早的研究成果是美国通用公司研发的Hardiman 外骨骼系统，其主要采用电机驱动控制，可以轻易举起重物。 1978 年，美国麻省理工学院研究出“被动式外骨骼助力机器人”。MIT的外骨骼下肢助力机器人能够在负载36公斤的情况下行走1m/s，其中80%的负重被传递到地面上。它的关节自由度配置包括髋关节有3 个自由度，膝关节 1 个自由度。穿戴者与机器人在肩膀、腕关节、大腿和脚部连接，机器人总重量是11.7Kg。驱动方式不采用电力驱动，只利用弹簧储能和变阻尼器驱动关节驱动。髋关节伸/屈运动时，伸运动时弹簧释放能量，屈运动时弹簧储存能量，膝关节利用磁流变阻尼器，踝关节利用碳纤维弹簧缓冲脚后跟对地面的冲力。传感器系统是由安装在外骨骼下肢助力机器人外壳的应变桥式应变片传感器和安装在膝关
节的电位计组成。 2004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能够负重的下肢外骨骼机器人。BLEEX由--个用于负重的背包式外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动力设备组成，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多个传感器以及液压驱动器，它们组成了一个类似人类神经系统的局域网。BLEEX的负重量能达至75kg，并以0．9m／s的速度行走，在没有负重的情况下，能以1．3m／s的速度行走。
目前，洛克希德·马丁公司和伯克利分校共同研制了新一代外骨骼机器人HULC 。这款新型外骨骼继承了BLEEX 的优点，对一些液压传动装置和结构进行了优化设计，不但能够直立行进，还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作，穿上HULC 后能够明显降低人体对氧气的消耗量。在一次充满电后，HULC 可保证穿着者以4．8km ／h 的速度背负90kg 重物持续行进一个小时。而穿着HULC 的冲刺速度则可达到16km ／h 。HULC 穿戴起来也非常方便，士兵只需将腿伸进靴子下方的足床，然后用皮带绑住腿部、腰部以及肩部即可，完全脱下需30秒的时间。
下肢外骨骼康复机器人设计及运动学分析 发表时间：2017-03-16T14:57:02.420Z 来源：《科技中国》2017年1期作者：王子鸣[导读] 本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。 （宜昌市葛洲坝中学湖北宜昌 443002） 摘要：下肢运动功能障碍患者为数众多，常规的康复训练高度依赖理疗师，成本昂贵，常人难以承受。下肢外骨骼康复机器人能有效解决这一社会问题。本文设计了一个单腿两自由度主动驱动的下肢外骨骼康复机器人。采用两个直线驱动器分别驱动髋关节和膝关节的运动，直线驱动器末端安装有力传感器，通过时时检测人-机作用力实现机器人的柔顺控制。本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。仿真结果表明该下肢外骨骼康复机器人具备辅助病人的能力。关键词：下肢外骨骼，柔顺控制，轨迹规划 0 引言 随着人口老龄化的发展，脑卒中，骨关节炎等老龄化疾病患者数量逐渐增加。这类患者往往患有各种致残的疾病，丧失正常的运动能力[1]。在这样的时代背景下，未来社会对康复医疗的需求将越来越迫切。下肢外骨骼机器人将为解决这一社会问题发挥重要的作用。 近年来，国内外众多研究机构对康复机器人开展了深入的研究。在台架式下肢外骨骼康复机器人研究方面，瑞士HOCOMA公司和瑞士苏黎世联邦理工大学共同研制的Lokomat外骨骼康复机器人，它髋关节和膝关节各采用一个直线电机进行驱动，单腿具有两个自由度，双腿四个自由度。该机器人在轨迹控制的基础上采用了阻抗控制的方式，具有很好的实用性和用户体验[2-4]。哥伦比亚大学研发的ALEX，除了单腿的四个自由度之外，骨盆上还具有四个自由度，机器人总共具有十二个自由度，它将电机放在下肢外骨骼后方,采用带轮等实现电机远端驱动，有效地降低了机器人运动部件的惯量，该机器人采取将切向力和法向力作用在患者的踝关节的方式,切向力帮助患者按照轨迹移动,法向力用于调整踝关节轨迹的法向运动阻碍[5]。荷兰屯特大学研发的LOPES，该机器人采用绳驱动的方式，单腿有四个自由度，除了髋关节和膝关节在矢状面上的各一个旋转自由度外，还增加了骨盆的移动和髋关节的内收外展运动。该机器人同时具有两种不同的控制模式，分别为机器人主动和患者主动，充分考虑到了不同人的行走能力，能根据患者的实际需要提供必要的辅助[6]. 瑞士洛桑理工大学研制的WalkTrainer，它髋关节，膝关节，踝关节各一个自由度，单腿具有3个自由度，同时骨盆具有6个自由度，机器人总共有12个自由度。该机器人采用了肌肉电刺激的物理疗法，同时通过腿部外骨骼上的力传感器，实现了人-机的闭环控制[7]。国内上海璟和研制的Flexbot机器人实现了多体位的康复训练，病情严重的病人在康复训练初期可以躺着进行康复训练，待恢复得较好时，可以选择站立式训练[8]。 此外，在独立式下肢康复外骨骼方面，以色列的Rewalk[9], 美国的EKSO[10]，日本的HAL[11]等都是下肢康复机器人中的杰出代表。国内的电子科技大学研制的外骨骼机器人[12]，北航研制的“大艾’外骨骼机器人[13]也取得了可喜的成绩。 与传统的工业机器人相比，康复机器人的一个突出特点是与人的交互十分频繁。安全性，舒适性，以及适应各种不同的工作环境是康复机器人需要考虑的重要问题。相反，工业机器人所需的高精度，高速度等特性在这里要求并不高。因此，设计出具有柔顺性的下肢外骨骼康复机器人具有重要的意义。 本文将就设计出一套下肢外骨骼康复机器人展开论述。首先，将根据人体下肢结构进行机器人的机械机构设计，接着进行机构的运动学分析，并使用MATLAB软件对该机构进行仿真。仿真结果表明该机器人具有协助病人进行康复运动训练的能力。 1 机构模型 1.1机构模型设计 人体结构模型是设计下肢外骨骼康复机器人基础。因此，我们先对人体下肢进行分析。人体下肢主要有三个关节，分别是髋关节，膝关节，踝关节。髋关节主要有髋臼和股骨组成，在运动时，股骨绕着髋臼运动，是一个球窝关节。膝关节连接了股骨和胫骨，踝关节主要由胫骨和腓骨下端的关节面与距骨滑车构成[14]。人体行走过程中，矢状面上的运动占主导地位。为了机构的简化，我们仅考虑下肢在矢状面上的运动，并把髋、膝、踝关节都简化为铰链关节。 该下肢外骨骼康复机器人为台架式下肢外骨骼机器人，上方的支架与台架相连接。髋关节与膝关节之间的连杆与大腿绑定，膝关节与踝关节之间的连杆与小腿绑定。直线驱动器由直流电机，同步带，滚珠丝杠，以及末端的力传感器组成。同步带，滚珠丝杠等机构把直流电机的转动转化为直线运动。力传感器能够实时检测到直线驱动器的推力，当推力过大时，直线驱动器减慢速度或者停止运动甚至向反方向运动，力传感器的加入增加了康复机器人的柔顺性，避免了机器人对人的伤害。该机构中髋关节和膝关节由两个直线电机主动驱动，踝关节为被动运动。为了能够适应不同人的腿长，设计了长度调节机构。该调节机构为在调节机构上下部之间都加工出一系列出通孔，上下两部分通过螺栓连接。通过调节机构下部分与上部分在不同位置连接，可以改变机构的长度。 1.2机构参数 人体正常步行过程中，髋关节最大屈曲约30°，最大伸展约20°，膝关节最大屈曲约为65°、最大伸展为0°。踝关节最大背屈约为30°，最大跖屈约为50°[14].我们设计的该机构的适应人体身高为150mm-190mm.根据这个数据，经过运动学解算，我们选择直线驱动器的工作行程范围如表1所示。
1 绪论 1.1 研究背景与意义 在急速发展的现代社会，人们通常都会使用轮式交通工具运载沉重物体，但在实际生活中，有许多地方道路凹凸不平，轮式交通工具难以行进，由于人腿能适应较复杂路况的优点，使得行走助力装置应运而生[1]。它是一种可以辅助人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的智能来控制机器人的行走，简化了自主行走式两机器人最为常见的步态规划和步态稳定性问题，同时它又可以提供动力协助人的行走，增强人们行走的能力和速度，缓解人在大负重和长时间行走情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人们的运动范围，故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。在一些交通已经过于拥堵的城市，下肢步行外骨骼还可以作为一种新型的轻型环保交通工具，可以大大减少城市汽车流量，降低市区的堵车情况，减少城市的汽车尾气污染，减缓城市的停车压力，同时使用者还可以达到锻炼身体的目的[2]。 目前，行走助力装置主要应用于两方面：（1）用于负重、长距离行走时进行助力（2）用于老年人或下肢瘫痪者行走时进行助力。行走助力装置的发展借鉴了腿式机器人、仿人机器人的技术和经验，又在结构、控制能力等方面做了深入的研究，经过不断的努力，现已开发出几类行走助力装置，并对相关技术做了深入的探讨，取得了一定的成果。 随着社会的发展和生活水平的提高，人们对医疗水平的期望值也越来越高。而医疗水平的提高自然依仗医疗器械的更新和改善。对于下肢受伤或有关节肌肉病患的病人来说，克服伤病需要借助适当的医疗器械帮助下肢逐渐恢复正常机能。本文所介绍的正是出于此种目的，由多缸并联的气动步行助力器。 1.2 国际上下肢外骨骼的研究现状 1.2.1 德国奥托博克(ottobock)的C-LEG智能仿生腿 德国OTTOBOCK公司的最新产品智能仿生腿（C-LEG）是世界上第一个完全由电脑控制步态的假肢膝关节系统，能使配戴者稳定牢固的控制下肢运动。智能仿生腿有两个电子传感器：一个位于小腿管中，分别测取脚跟踏地和脚前掌的压力，为假肢支撑期的稳定性控制提供信息。一个位于膝关节的支撑框架中，测量膝关节屈度和膝关节摆动速度的变化，为假肢摆动后期的活动性控制提供信息。这两个传感器可将假肢的运动状态以每秒50次的采样频率向电脑提供测定值。微处理器可以瞬间识别使用者的假肢状态。同时，微处理器将所得信号进行加工处理，通过伺服电机控制膝关节液压系统。整个反馈过程是真正意义因人而宜的调整。完全个性化的分析，服务，为患者提供更多的舒适性，活动性和生活乐趣。
外骨骼机器人研究发 展综
外骨骼机器人研究发展综述 李罗川
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。本文介绍了外骨骼机器人的发展历史以及国内外研究现状，对外骨骼机器人的关键技术：机械结构设计，驱动单元，控制策略进行了研究，分析了其技术难点最后对其发展前景进行了说明。 关键词：外骨骼机器人关键技术
目录 引言 (5) 1.发展历史及现状 (6) 1.1国外发展历史现状 (6) 1.2国内发展历史现状 (10) 2.关键技术分析 (12) 2.1外骨骼机器人的结构设计 (12) 2.2外骨骼机器人驱动单元 (13) 2.3外骨骼机器人的控制策略 (14) 3.外骨骼机器人技术难点分析 (17) 4.前景展望 (19) 4.1 外骨骼机器人的研究方向 (19) 4.2外骨骼机器人技术的应用 (19)
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成很多艰苦的任务，比如举起、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。与此同时，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完成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，综合为一个系统，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，同时又融合了传感、控制、驱动、信息融合等机器人技术，使得外骨骼能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。本文通过介绍外骨骼机器人的发展历史及研究现状进一步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说明，以期在全面认识外骨骼机器人基础上对其开展进一步深入研究。
２０１８年１１月 第４６卷第２１期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ ２０１８ Ｖｏｌ ４６Ｎｏ ２１ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ ２１ ０１５ 收稿日期：２０１７－０６－２０ 作者简介：石晓博（１９９１ ），男，硕士研究生，主要研究方向为下肢外骨骼康复机器人步态规划研究三Ｅ－ｍａｉｌ：５４７３６３９９２＠ ｑｑ ｃｏｍ三 通信作者：郭士杰，Ｅ－ｍａｉｌ：３０８６８１９８２＠ｑｑ ｃｏｍ三 发展中的外骨骼机器人及其关键技术 石晓博，郭士杰，李军强，赵海文 （河北工业大学机械工程学院，天津３００１３０） 摘要：外骨骼助力机器人是一种可穿戴的机械装置，应用人机工程学二仿生学等相关知识将人的智力和机器人的体力完美地结合在了一起，拥有巨大的发展潜力三为了更好地了解外骨骼助力机器人的发展成果及现阶段存在的问题，现将其发展分为蒸汽时代二电气时代二信息时代三大部分进行介绍，并从机械结构技术二驱动技术二控制技术二人机交互技术以及安全性技术等外骨骼助力机器人关键技术入手，找出现阶段面临的问题，并指明未来的发展方向三 关键词：外骨骼；关键技术；助力机器人；科技时代 中图分类号：ＴＰ２４一一文献标志码：Ａ一一文章编号：１００１－３８８１（２０１８）２１－０７０－７ ＤｅｖｅｌｏｐｉｎｇＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＲｏｂｏｔｓａｎｄＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＳＨＩＸｉａｏｂｏ，ＧＵＯＳｈｉｊｉｅ，ＬＩＪｕｎｑｉａｎｇ，ＺＨＡＯＨａｉｗｅｎ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｐｏｗｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓａｋｉｎｄｏｆｗｅａｒａｂｌｅａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔｓ，ａｐｐｌｉｅｄｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ，ｂｉｏｎｉｃｓａｎｄｏｔｈｅｒｒｅｌａｔｅｄ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅｔｏｐｅｒｓｏｎ ｓｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄｒｏｂｏｔｐｈｙｓｉｃａｌｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｔｏｇｅｔｈｅｒ，ｈａｓｈｕｇｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｏｔｅｎｔｉａｌ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｅｔｔｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｔｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｇｅ，ｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｔｅａｍ ａｇｅ，ｔｈｅａｇｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｇｅｏｆｔｈｒｅｅｍａｉｎｐａｒｔｓ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄｓｔａｒｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｄｒｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｈｕｍａｎ?ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｓｅｃｕｒｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｓｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓｐｏｗｅｒｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｃｏｎｆｒｏｎｔｅｄａｒｅｆｏｕｎｄ，ａｎｄｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ；Ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔ；Ｅｒａｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ０一前言 外骨骼（Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ）这一名词来源于生物学中昆虫和壳类动物的坚硬外壳，其作用在于支撑二运动二防护三项功能紧密结合［１］三与此对应，外骨骼助力机器人是模仿生物界外骨骼而提出的一种新型机电一体化装置 ［２］ ，结合机械结构二控制二驱动方式二人 机交互等关键技术，在为穿戴者提供诸如保护二协同动作等功能的基础上，还能够在穿戴者的控制下完成人类自身无法完成的任务三 文中将外骨骼助力机器人的发展分为３个阶段，即蒸汽时代二电气时代二信息时代三通过介绍每个时代外骨骼主力机器人的发展情况，从而指出现阶段存在的问题，然后从外骨骼助力机器人相关关键技术入手，从根本上分析出现问题的原因，并寻求高效的解决方案三 １一外骨骼助力机器人的发展 外骨骼助力机器人从出现到发展至今，大概分为 ３个阶段，即蒸汽时代二电气时代二信息时代三 １ １一蒸汽时代 １９世纪中后期，人类完成了第一次技术革命， 开启了以蒸汽机代替人力的时代三人类萌生了用蒸汽机驱动人体运动的想法，但由于蒸汽机存在体积过大二容易烫伤等缺点，同时受材料匮乏二工艺落后的 制约，使这一时期的外骨骼仅仅停留在概念设计上三如１８３０年英国著名插画师ＲｏｂｅｒｔＳＥＹＭＯＵＲ所绘的‘ＷａｌｋｉｎｇＢｙＳｔｅａｍ“中提到的穿戴在人体上的蒸汽机行走机，如图１所示三这一阶段提出的外骨骼由于技术发展的限制没有实际应用的价值，但还是为后来的外骨骼设计拓宽了思路三
穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计 摘要:本文设计了一种用于下肢功能障碍患者康复治疗的外骨骼机器人。根据外骨骼机器人的功能与工作原理,分析了其结构组成与设计过程中的关键问题。并从仿生学角度为外骨骼机器人配置自由度,设定关节活动范围及连杆尺寸,对机械结构进行了初步分析与优化设计。为进一步的研究、分析、设计工作打下了基础。 关键词:外骨骼康复仿生机械结构 The Mechanical Design of Wearable Lower Extremity Exoskeleton Rehabilitation Robot Abstract:The exoskeleton robot, used for the lower extremity dysfunction in patients with rehabilitation, was designed. Based on its function and working principle, structure and composition and the key issues in design process were analyzed. And according to bionics, the degree of freedom, the range of motion and the link size were designed,the preliminary analysis and optimization design of mechanical structures were made. It is the foundation for research, the analysis, the design for the further. Key Words:Exoskeleton;Rehabilitation;Bionics;Mechanical structures
外骨骼机器人研究综述 摘要 外骨骼机器人(Exoskeleton Robot)实质上是一种可穿戴机器人，即穿戴在操作者身体外部的一种机械机构，同时又融合了传感、控制、信息耦合、移动计算等机器人技术,在为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能的基础上，还能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。本文简要介绍外骨骼机器人的研究现状以及发展趋势。 需求分析 随着社会的发展，老龄化加重，已超过人口总数的10%。老年人普遍存在体力不支，行动不便，力量、耐力不足等情况，研发一种可穿戴舒适的外骨骼机器人，助老年人行走、上下楼梯、适当负重等十分必要，同时，可穿戴式外骨骼机器人也适用于残疾人或身体机能薄弱者，这将会大大减少照顾老弱病残者的人力资源，减轻社会与家庭的压力，具有社会与经济价值。 传统的交通工具是远行与负重的主要方式，但存在对路面要求高，不适应于军事、消防营救等领域，士兵与消防人员需长距离行走、背负重物、野外作业等，这些特殊活动交通工具都没法完成，且对运动者的身体素质要求非常高。研制一种可穿戴外骨骼机构，可以提供充足的能量和耐力来增强长时间行走和负重等能力，从而完成一些特殊任务。 可穿戴式外骨骼机器人由于自身的商用与军事应用价值，已经成为近年来国内外学者的一个重点研究方向。理想外骨骼机器人有能够在操作者需要的时候及时提供帮助但永远不妨碍其行动的自动化机器人装置替代他的手足，能承受货物背负任务且与人体完全结合，准确预判佩戴者的意图，具有防护并增强操作者负重和运动能力的作用。理想外骨骼机器人的研制困难可想而知。 研究现状 早期人类为减少人员伤亡所制作的盔甲其实已经属于外骨骼的雏形，提高了士兵的个人防护能力，但其存在自重与被动阻力，极大消耗了使用者的体力。 1960年，通用电气公司研制一种名为“哈曼迪1”的可佩戴单兵装备，采用液压驱动。该公司第一个提出并开展增强人体机能的主动助力型外骨骼机器研究。其外骨骼体积巨大且笨重，安全性能低，也只能取代单只手功能。 1978年，麻省理工学院研究了“增强人体机能的外骨骼”，负重问题有所改善，其驱动能源与便携式问题尚未解决，没有完整的成果。 1991年，日本神纳川理工学院开发了一套独立的可穿助力外套（如图1所示），使用肌肉压力传感器，分析佩戴者的运动情况，通过微型气泵、便携式镍镉电池及嵌入式微处理器，提供足够的助力。该开发产品是专为护士研制，可使人的力量增加0.5~1倍。