外骨骼机器人研究发展综

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1、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41.发展历史及现状51.1国外发展历史现状51.2国内发展历史现状82.关键技术分析102.1外骨骼机

2、器人的结构设计102.2外骨骼机器人驱动单元112.3外骨骼机器人的控制策略113.外骨骼机器人技术难点分析144.前景展望164.1外骨骼机器人的研究方向164.2外骨骼机器人技术的应用16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

3、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。1.发展历史及现状1.1国外发展历史现状外骨骼系统

4、的最早研究始于20世纪60年代。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。从1960年到1971年，美国通用电器公司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。但是，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。同时期进行外骨骼研究的还有贝尔格莱德大学的Vukobratovic等人，他们的研究主要用于辅助下肢瘫痪患者进

5、行运动康复。尽管只实现了部分运动形式，但是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。随后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各种军事、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。2000年，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能够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

6、后，行军能力大大提高。DARPA的该项目资助了多家研究机构，主要有加利福尼亚大学伯克利分校机器人和人体工程实验室、OakRidge国家实验室、盐湖城人体机能研究所、“千年喷气机”公司、SARCOS公司等。其中伯克利分校、SARCOS公司和麻省理工学院展示了实验样机，其他单位则在传感驱动人机界面生物力学人因测试等方面进行了分析与实验。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能够负重的下肢外骨骼机器人。如图2所示BLEEX由一个用于负重的背包式外架、两条动

7、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的负重量能达到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。然而BLEEX由于结构复杂能量消耗大操作者长时间使用很不舒服因此未获得ＤＡＲＰＡ第二阶段的资助。BLEEX虽然未获得进一步的资助但是Kaz

8、erooni教授和他的学生成立了伯克利仿生公司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更加轻便简洁实用的HULC（humanuniversalloadcarrier）如图３所示：图3洛克希德马丁公司的HULCHULC被著名的武器承包商洛克希德－马丁公司收购。HULC质量为24