机械外骨骼发展研究综述.docx

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机械外骨骼发展研究综述

前言：

目前只有美国和日本在机械外骨骼领域的研究取得了一些初步成果。

在我国，这方面的的研究尚处于起步阶段，但是随着世界现代化和工业化进程的进一步加深，机械外骨骼的所带来的方便之处将逐步得到人们的首肯，并逐步融入我们的生活。

本文就机械外骨骼研究的发展过程、当前研究的方向以及所取得成果在目前和将来的应用做了归纳和综述，理清发展的脉络，获取该领域的前沿信息，从而把握前沿动向。

一、机械外骨骼的发展

1、机械外骨骼的过去

外骨骼（Exoskeleton）的最初概念来源于生物学,是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构，比如昆虫身上能够起到帮助行动以及保护身体不受伤害作用的外骨骼[1]。

人类受此启发便开始了机械外骨骼技术的仿生研究。

通过能源装置提供外动力，机械传动系统及控制测试系统，保证和人体各种动作于机械之间的协调性，机械外骨骼便拥有了这种使人类的力量成惊人的倍数放大，运用于未来各种行业的前景。

机械外骨骼的作用就是要将机械和人体实现完美的融合，帮助人体出色地完成各种动作和提升效率。

外骨骼系统的最早研究始于20世纪60年代[2]。

1962年，美国空军就要求康奈尔航空实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[3]。

起源于美国1966年的哈德曼助力机器人的设想及研发，自此便开始了漫长的研发过程。

2000年，美国五角大楼高级研究计划署投资数千万美元开始为期7年的机械外骨骼的研究计划（EHPA）。

2002年，第一件具有划时代意义的机械外骨骼衣（XOS）才诞生，而研发目的仅仅只是为了证明机械外骨骼能像人体一样自由地运动，从而为机械外骨骼的后续发展铺平了道路。

2004年，日本机器人专家山本嘉之教授推出他的全身机器外骨骼HAL-5，HAL-5没有采用传统的液压式传动系统，而是将感应器附着到使用者上，实现微小肌肉信号的检测，从而使机械能够学习使用者的自然姿态，但是人机之间至少需要30分钟的磨合时间。

此外，目前世界上主要是美国、日本在进行机械外骨骼的研究并取得部分成果。

2010年，美国研制出比XOS1性能更加完善、更加轻便和强壮的XOS2；同年，新西兰一家公司发明了仿生机械腿，将机械外骨骼技术应用于普通人的生活，帮助残疾人重新站起来自行行走[4]。

2、机械外骨骼的现状

目前各个国家都又出现了新的研究成果。

2011年6月30日，克希德·马丁公司研制出加重型HULC人体负重外骨骼，它可以利用单一电池供电使穿戴者背负大约91Kg重物步行20千米，同时可以协助士兵完成爬行深蹲等一系列动作。

这是一种既可以提高士兵作战能力又可以降低受伤风险的创新方案。

2011年7月，日本筑波大学公布名为“混合辅助机械套装”的机械外骨骼。

该装置通过垫片于身体的特殊部位相连接，能够探测到从大脑释放的神经信号经过运动神经元传输至肌肉组织的微弱生物电信号，从而产生肌骨系统的移动[5]。

2011年国际军警保安器材展（MILIPOL）上，法国某防务公司展出了其与法国武器装备总署联合研制的名为“大力神”（HERCULE）的协同可穿戴式外骨骼。

“大力神”外骨骼主要由机械腿（结合有机械装置、计算机和电子装置）和背部支撑架组成，使穿戴者能够轻松背负重物[6]。

3、机械外骨骼的前景

国内有学者研究认为，人类使用的外骨骼助力机器人可用在三大方面，即军事、民用、医疗。

可以说助力机器的本质就是将人类本身的力量和动作速度放大几倍甚至上千倍。

外骨骼机器人技术是这个本质的直接体现，结合现在的研究进展和人类的生存需要，我们可以展望将来的技术发展要达到助力设备就像我们人类穿戴的衣服一样不仅不会对人了本身的动作构成阻碍，还能根据人的大脑意识将人的目标动作（力量及速度）放大到需要的目标值。

未来的外骨骼助力装置能应用在包括军事、矿产、工业、医疗等等很多方面，由于未来需要人体的机能不断提升，甚至要远远超越自身极限，外骨骼助力设备会显得格外重要，最终成为必不可少的产品[7]。

随着社会现代化、工业化进程的进一步深入，机械外骨骼的应用将会涉及到人类生活生产的各个方面，可以预见，机械外骨骼的前景是非常广大的。

尽管目前已经出现了多种外骨骼机器人,但离转化为战斗力有一段距离。

譬如,外骨骼机械系统设计和自由度等都要求与人体的结构和由度相匹配,研发轻便、高效的自给能源装置,等等。

随着能源、材料和控制技的不断进步,外骨骼机器人在单兵武器装备等军事应用中大有潜力可挖[8]。

二、机械外骨骼的研究方向

机械骨骼技术具有很宽广的应用前景，但是到目前为止该项技术尚处在研发阶段，成果只是取得初步进展，尚未形成可以切实应用的大规模产业。

并且从研究的领域来讲，范围并不宽泛，美国研究的主要方向是军事，日本则倾向于医疗。

因此国内外关于机械外骨骼的研究又衍生出许多研究方向，下面就对各个新的研究方向做如下的归纳。

1、人造肌肉纤维研究

利用电压变化使人造纤维收缩或伸张来产生力量从而达到取代目前通用的液压驱动系统，解决液体渗漏和人机间的磨合期问题的目的。

而早在1999年8月，德国、美国、澳大利亚和意大利同行合作研制出人造肌肉纤维,以近年来倍受注目的纳米碳管为成份,伸缩性和灵敏度超过了迄今任何人造材料。

这种人造肌肉纤维不仅能适用于人类的移植和修复手术,还可以作为机器人的运动构件,或者作为高灵敏度传感器的材料[9]。

而2008年，美国加州大学洛杉矶分校的研究人员制造出了一种人造肌肉，它能够自我愈合还能够储存电能给类似于iPod之类的移动设备充电。

这样就使机械外骨骼朝着人机完美结合的方向发展成为可能[10]。

我们完全有理由相信，在不久的将来，人造肌肉将会出现在新一代的机械外骨骼机器人的手臂上，实现通过人类意识控制人造肌肉的收缩和舒张来达到人体与机器人之间的协调。

2、控制系统研究

关于控制系统的研究，目前有两个大的方向：

机械外骨骼系统内控制及基于网络技术的远程控制系统。

有学者通过研究来对比不同国家和地区的实现机械外骨骼系统内控制功能的八种方法（操作者控制、肌电控制、预编程控制、主从控制、直接力反馈控制、地面反作用力控制、ZMP控制、灵敏度放大控制）的优缺点。

并且指出，外骨骼机器人是一个复杂的人机耦合的一体化系统。

外骨骼技术在国际上发展迅速，而在我国还处于起步阶段，亟需开展先期的基础研究工作，解决一批关键技术，以迅速开发出成熟的产品，跟上国际发展的步伐。

这些控制方法各有优缺点，在实际工作中要综合考虑，可以采用复合控制的方法，综合各种控制方法的优点，开发我国自己的外骨骼产品[11]。

而关于基于网络技术的远程控制系统，传统要操作仅仅停留在简单的动作示教层面或者只能对机器人关节或者末端执行器进行单个或者少数几个自由度的孤立控制。

针对这个缺点，有学者研究指出，可以采用基于非时间参量的控制和协调方法，从根本上解决由网络技术所带来的不稳定时延，从而实现对机械外骨骼的远程控制[12]。

3、机械结构设计研究

由于机械外骨骼的受力部分主要是在下肢，因此为了达到减轻负重者负载从而节省体能的目的，那么就要求所设计的下肢必须能够承受足够强度的压力。

因此对于机械外骨骼下肢机械结构的分析与设计也成为一大热点和难点。

下肢外骨骼是一种新型的具有可穿戴性能的机械装置,从人机一体化智能系统理论的观点出发,它是一种人主机辅的人机一体化系统[13]。

国内有学者研究了这一方向的问题并且指出：

外骨骼结构能够穿着在人的身上,除满足行走需要的基本条件外,还必须考虑到以下三个方面的要求:

①安全性:

外骨骼与人体协调共处,二者不能发生冲突②兼容性:

外骨骼的肢体几何尺寸能够调节,以适应不同的穿着者。

③舒适性:

增加人机接触缓冲装置,提高舒适性[14]。

除此之外，也有多种用于辅助进行康复运动的外骨骼[15-17]和上肢外骨骼[18-20]，对其相应机械结构的设计也已取得较大的进展。

比如，为了实现远程控制功能而提出的上肢外骨骼的结构设计之一便是采用“并联三自由度”+“四连杆机构”+“并联三自由度机构”来实现外骨骼“肩”、“肘”、“腕”关节的联动[21]。

4、理论分析

目前的理论研究主要是基于adams仿真软件、solidworks或Pro/E等三维造型软件，通过分别建立适用于身体各个部位的各种数学模型而进行的运动学、动力学分析。

为了保证理论分析的准确性，往往需要建立上肢、下肢等外骨骼结构的模型，并通过MATLAB软件中的simulink和SimMechanics的控制运用ADAMS仿真软件对这些模型的仿真模拟，设置各项参数执行仿真，从而获得保持外骨骼系统稳定的运动、动力数据[22]。

三、机械外骨骼的应用

1、军事

在军事领域,外骨骼由于能够有效提高单兵作战能力因而具有很大的吸引力。

美国政府已经制定计划投资数百万美元研制新一代的基于外骨骼的单兵作战装置。

这套作战外骨骼系统不仅自身具有能源供应装置,提供保护功能,而且集成了大量的作战武器系统和现代化的通讯系统,传感系统以及生命维持系统,从而把士兵从一个普通的战士武装成一个“超人”。

[23]与此同时，机械外骨骼的实用价值在军需物资搬运、强化士兵体能训练保证士兵长途行军之后的战斗力等方面也有具体的体现。

有学者甚至指出，在未来复杂的实际战场上，机械外骨骼可以装备先进的GPS导航系统、夜视系统、复杂环境分析系统以及活体甄别功能，可以自动将受伤的战士及时地送回后勤救护区域进行救治。

当然，目前也有学者致力于机器外骨骼系统的智能化研究，其最具现实意义的就是敌我识别功能，防止机械外骨骼系统被敌方利用，导致毁灭性的打击。

此外，就科技发展的现状和趋势而言，先进国家之间的对抗，像装甲车之类的大目标显然不如装甲步兵易于隐藏。

但长期以来限制步兵作战效能的便是弹药的携带能力以及全速行进的持久力问题。

而机械外骨骼的使用则可以突破人的体能极限，从而提高作战效能。

关于后勤方面，据研究估计，如果行军时速保持在20Km，能在夜间精确定位，负载1000Kg的外骨骼机器人，则只需投入一个排即可完成单次4000Kg的物资运输，因此在战争爆发的紧急状况之下，这种即机械外骨骼机器人将会发生极大的作用以保证后勤补给[24]。

2、医疗

实验表明，在神经康复领域的特定训练中，康复机器人能够保证高效的康复训练，这使得康复机器人技术成为医工结合的崭新研究领域[25]。

特别是在康复机器人在工业机器人的技术经验上又在人机接口、智能化和控制能力等方面的深入研究使得康复机器人能够更加适合老年人和残疾人使用[26]。

而对于需要保持运动训练的患者而言这必将是一种期望。

但是，尽管前景比较美好，现实中存在的问题却也不可小视。

正如一些学者表态：

“诚然，为了能够使上肢更好的协助身体有缺陷的人，我们在机器人的很多领域都做了做了广泛的研究，特别是耐磨机器人方面[27-33]。

尽管我们取得了很多成果，但是这些成果还远远不能达到我们所期望的要求，因为现存的机器人还不能实现人体的机动和柔性性能。

”[34]

3、民用

日本山本嘉之教授的HAL-5机器人已经进行商业化运作向客户出租，这种机械外骨骼设计可以使残疾或者行动不便的老年人自行护理自己的行动。

同时外骨骼的使用，也能缓解社会老龄化所带来的部分问题。

此外，在工业生产上的机械骨骼已经屡见不鲜了，但是在民用人机领域的应用尚处在开发阶段。

如果某一地区发生如地震等难以预料的天灾，救援现场有这种设备，那么覆压的倒塌建筑物碎块将会及时、轻易的清除，从而挽救更多的生命，这将是一种多么令人震惊的效率！

在日常生活中，机械外骨骼还可以用于辅助身体锻炼，增强体质。

四、参考文献

[1]蔡兆云、肖湘江.外骨骼机器人技术研究综述.《国防科技》尖端科技2007.12

[2]ADAMBZOSS,KAZEROONIH,ANDREWCHU.Biomechanicaldesignoftheberkeleylowerextremityexoskeleton（BLEEX）[J].IEEE/ASMETransaction