外骨骼助力機器人研究現狀與關鍵技術分析

周加永，莫新民，張 昂，孟小凈，趙 浩，紀平鑫

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

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【信息科學與控制工程】

外骨骼助力機器人研究現狀與關鍵技術分析

周加永，莫新民，張 昂，孟小凈，趙 浩，紀平鑫

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

根據研究工作積累和查閱相關文獻資料，對外骨骼助力機器人國內外的研究現狀進行了總結，對外骨骼助力機器人所涉及的機械結構技術、驅動技術、傳感控制技術、能源技術以及安全性技術等關鍵技術進行了分析，并對外骨骼助力機器人在軍事領域、醫療領域和工業領域的應用前景進行了展望。

外骨骼；助力機器人；關鍵技術

外骨骼助力機器人是模仿生物界外骨骼而提出的一種新型機電一體化裝置，結合傳感、控制、信息融合、移動計算等機器人技術，在為穿戴者提供諸如保護、身體支撐等功能的基礎上，還能夠在穿戴者的控制下完成一定的功能和任務。外骨骼助力機器人作為仿生裝備的一種，與無人機、3D打印戰機以及新概念武器等被評為2016年最具發展潛力的十大武器裝備前沿技術。美國、日本、俄羅斯和法國等國對科研院所和高校外骨骼助力機器人的研制進行了資助，通過幾年的潛心研制，均取得了不錯的成績，具有代表性的是美國的HULC，日本的HAL，俄羅斯的“勇士-21”和法國的“大力神”[1]。我國外骨骼助力機器人的研制起步較晚，各研究機構在參考借鑒國外先進外骨骼助力機器人的基礎上，通過自身的創新與研發，已有不少外骨骼助力機器人樣機問世，實驗效果不錯。

外骨骼助力機器人的發展和相關關鍵技術的發展密不可分，微驅動技術、材料科學、能源技術以及信息技術等技術的發展，推動了外骨骼助力機器人的發展。

1 外骨骼助力機器人國內外研究現狀

隨著傳感控制技術、新型材料以及新型制造等技術的發展，外骨骼助力機器人也取得了很快的發展。歐美等國家一方面優化改進原有外骨骼助力機器人，另一方面又研制了其他新型外骨骼助力機器人，其中歐美等國家主要進行軍用外骨骼助力機器人的研制。通過近幾年的不懈努力，我國在外骨骼助力機器人的研制中也取得了不錯的成績。

1.1 國外研究現狀

美國于上世紀60年代開始進行外骨骼助力機器人的研制，1965年美國軍方和通用公司聯合研發了一個名為哈迪曼的外骨骼裝置，但是哈迪曼的重量過大，達到了680 kg，穿戴者穿上后根本無法移動，最終項目被擱淺[2]。

2004年，加州大學伯克利分校研制出伯克利下肢外骨骼系統BLEEX，如圖1所示。BLEEX外骨骼助力機器人能夠提高美軍的負重能力、機動性與越野能力。BLEEX 外骨骼的整體質量約為45 kg，穿戴者身著此裝備，即使在負重35 kg的情況下，仍然可以活動自如[3]。

2004年，伯克利仿生科技公司設計開發了一款名為ExoClimber的下肢外骨骼系統，如圖2所示[4]。ExoClimber自重約30 kg，最大承載90 kg。2005年底，美國特種作戰司令部用ExoClimber在科羅拉多州博爾德的烙鐵峰(在0.5 km范圍海拔上升300 m)進行了試驗，通過ExoClimber協助，特種兵背負90 kg負重輕松登上了原來根本不能想象能登上的烙鐵峰。

圖1 BLEEX外骨骼助力機器人

圖2 ExoClimber外骨骼助力機器人

2006年，Sarcos公司研制成功了XOS全身外骨骼，XOS外骨骼系統能將人的力量增大6倍，同時具有非常高的動作靈敏度。2007年，美國軍火巨頭雷神公司收購了Sarcos公司，并于2010年研發出了XOS-2動力外骨骼系統，如圖3所示。XOS-2重量輕了10%，能耗降低了50%，力增比達到了驚人的17:1，性能的全面增長使之深得美國軍方認可[5]。

2012年，洛克希德·馬丁公司研制成功了外骨骼HULC，如圖4所示。美國陸軍在2012年9月接收洛克希德·馬丁公司的人體負重外骨骼HULC，用于評估測試。后期洛克希德·馬丁公司又陸續對外骨骼HULC進行了改進，改進型的外骨骼HULC并沒有對外公布，不過到目前為止外骨骼HULC是技術最先進、性能最好的軍用外骨骼助力機器人[6]。

2013年，美國Revision Military公司研發成功了一款新型外骨骼，被稱為“徘徊者”(Prowler)的下肢外骨骼系統，如圖5所示。該外骨骼系統還裝備了護甲防御子彈和彈片，它還為穿戴者提供降溫系統、一組監控其生理指標的傳感器，以及超人般的力量[7]。

圖3 XOS2外骨骼助力機器人

圖4 HULC外骨骼助力機器人

2014年，哈佛大學的生物工程研究所研發了一款款名叫Soft Exosuit的外骨骼機械服裝，如圖6所示。這款外骨骼機器衣，主要包裹在士兵的腰部和大腿周圍，機器衣的主要材料是紡織物，大量的微處理器、傳感器以及隨身電源，都將植入到外骨骼機器衣中。機器衣配置了微型電動機，可以給士兵提供額外的力量和運動能力。

圖5 Prowler外骨骼助力機器人

圖6 Soft Exosuit外骨骼助力機器人

俄羅斯與2009年提出要在2015年前開發出“勇士-21”可穿戴式外骨骼機械作戰服，但是2015年已然逝去并沒有達到預期的目的。不過俄羅斯在2013年研發出了一種新型外骨骼，如圖7所示，最高負載100 kg。有了這款外骨骼，盾牌組合反恐戰力會有很大提升。2015年中旬，俄羅斯科研單位正加快研制新一代外骨骼單兵裝甲作戰服，這種新型裝置不僅可以選擇由大腦波進行控制，同時也能大大節省配戴人員的體力、耐力以及提高作戰效率，有效物資攜帶重量可達300 kg。

2011 年，法國某防務公司與法國武器裝備總署公布了其聯合研制的可穿戴式外骨骼，并命名為“大力神”(HERCULE)。法國最新曝光其研制的“大力士”外骨骼戰斗服，如圖8所示，該戰斗服可以讓士兵輕而易舉提起100 kg的重量[8]。

2015年6月ReWalk[9]的外骨骼產品(如圖9所示)通過了美國藥物與食品管理局(FDA)的審批，這是迄今唯一一款也是首款獲得FDA批準的外骨骼產品。ReWalk技術采用了體感芯片，捕捉患者的肢體動作，幫助行走。通過電池驅動關節部位的電機，組成電動腿部結構，在行走過程中可以感應患者重心的變化，模仿自然行走的步態，并能根據實際情況控制步行速度，患者還能自行完成安裝和拆卸。

圖7 俄羅斯外骨骼助力機器人

圖8 HERCULE外骨骼助力機器人

通過近10年的研發，HAL輔助義肢已被開發至第5代，如圖10所示，重量也由25 kg縮減到10 kg，進一步滿足常人的承受力[10]。通過感測體表的一些生物信息，例如肌肉的運動還有神經電流的改變，HAL可以模擬穿戴者的動作。并且在平行的方向上增強穿戴者的力量和耐久。目前HAL已于2014年在本國小規模上市，被認為是最成熟的民用外骨骼系統。

圖9 ReWalk外骨骼助力機器人

圖10 HAL外骨骼助力機器人

Ekso Bionics 的研究人員正在測試一款為建筑和工業領域的工人而設計制造的仿生學外骨骼，如圖11所示，這款外骨骼使得普通人能夠擁有真正的“超級力量”。該套件完全是機械結構，無需任何電池。

Lockheed Martin 公司正在研發下一代輕量級、不插電外骨骼，用來提升士兵的力量、持久力和靈活性，此前美國海軍在去年率先將兩臺 FORTIS 外骨骼用于其造船廠。這款取名為FORTIS的外骨骼(如圖11所示)可以通過機器裝置將人體負重轉移到地面， 幫助站立和半跪狀態的用戶減輕負擔，舉重若輕地使用重型工具。

1.2 國內研究現狀

2004年起海軍航空工程學院開展了的外骨骼研究,如圖13所示為其研制的第三代外骨骼助力機器人。動力驅動通過直流伺服電機、諧波減速機、柔性拉索實現助力功能，該裝備以電池為能量來源，通過安置于足底的壓力傳感器收集步態信息，然后通過微處理器發出信息驅動電動機輸出動力，從而實現穿戴者的負重行走[11]。

圖11 Ekso Bionics外骨骼助力機器人

圖12 FORTIS外骨骼助力機器人

2013年，由南京軍區總醫院博士后工作站研發的首部外骨骼裝置正式亮相，被定義為“單兵負重輔助系統” (如圖13所示)，面向軍用領域、專注于壓縮負重，并能夠快速同步穿戴者的動作，但其功能相對單一，且負重能力以及設計結構仍有待提升。

圖13 海航外骨骼助力機器人

圖14 南京軍區總醫院外骨骼助力機器人

2014年，由中科院常州先進所設計研發了EXOP-1外骨骼系統，該系統由航空鋁打造，它配備了22個傳感器、 6個驅動器和1個控制器，造價在30萬元左右。EXOP-1能夠減輕穿戴者的負重，但它的體積相對笨重，難以在短期內投入使用。

2014年7月，經過近兩年的研發，中國科學院深圳先進技術研究院下肢外骨骼助力機器人項目取得新突破，日前成功實現截癱病人穿戴機器人站立行走，向產業化應用邁出關鍵一步，如圖16所示。

2014年11月珠海航展上，北京中航雙興科技有限公司展出了最新研制的一款外骨骼助力機器人，如圖17所示。該外骨骼助力機器人充滿電后背負50 kg負重，行走2個小時，步行速度1 m/s，動力為電動機。

圖15 常州先進所外骨骼助力機器人

圖16 深圳先進院外骨骼助力機器人

2015年7月，由兵器集團202所研制的國產單兵外骨骼亮相中國軍民融合技術裝備博覽外骨骼系統可加裝輔助裝置，額定負荷平均平地步速為4.5 km/h，平地行走續航里程為20 km。該新型外骨骼若裝備部隊，可提高高原部隊的單兵負重量，提升單兵偵查能力，可執行高原單兵巡邏、山地單兵巡邏、跨越障礙等任務。

圖17 中航雙興外骨骼助力機器人

圖18 兵器202所外骨骼助力機器人

電子科技大學程洪帶領的研發團隊，在“外骨骼助力機器人”研發上歷經5年的艱苦探索，從1.0版到3.1版本的艱難研發過程。2015年9月12日在殘運會開幕式上癱瘓小伙林寒在一款紅色外骨骼助力機器人的幫助下，完成了殘運會生活的傳遞，該款紅色的外骨骼(如圖19所示)是由電子科技大學研制的3.1版本。

2016年4月18日，合肥研究院先進制造技術研究所可穿戴外骨骼助力機器人“鋼鐵戰士”(如圖20所示)，亮相揚州“科洽會”，這是具有助力、助殘功能的特種機器人。機器人由航空鋁打造，基于EtherCAT總線技術設計了全新的控制系統，結合多傳感器的信息融合，使穩定性得到了很大提高。

2 外骨骼助力機器人關鍵技術研究

從國內外各科研機構的研究成果和技術現狀可以看出，動力外骨骼助力機器人涵蓋了機械、液壓、傳感、控制等多個領域，對外骨骼助力機器人的研究既有廣度也有深度，需要綜合分析，將總體技術分解為若干子技術，同步開展研究。

圖19 電子科大外骨骼助力機器人

圖20 合肥研究院先進所外骨骼助力機器人

2.1 機械結構技術研究

機械結構是外骨骼助力機器人的基本骨架，主要包括搬運裝置、上背架、機械骨架等結構，一方面為穿戴者提供支撐進行助力，另一方面為驅動系統、控制系統和傳感系統等提供安裝位置。機械結構的設計是整個外骨骼系統設計的起始點和終結點，所以要認真對待。在進行設計外骨骼機械結構設計時要考慮到以下幾點：

1) 便于控制與驅動

外骨骼助力機器人的機械結構在設計中采用仿人形結構，為了便于控制和驅動，對髖關節、膝關節和踝關節處的自由度進行合理的減少。外骨骼助力機器人的最主要功能是能跟隨人體行走，這個動作主要是在矢狀面上完成的，應該首先滿足矢狀面上自由度的匹配。膝關節的屈/伸自由度、踝關節的屈/伸自由度、內轉/外翻和外展/內收自由度相對來說比較容易實現，最關鍵的應該是髖關節屈/伸自由度、外展/內收自由度和內旋/外旋自由度三個自由度的配置。

2) 易于調節

由于人體尺寸千差萬別，所設計的外骨骼助力機器人適合不同的人穿戴。在小腿與踝關節連桿和大腿與髖關節連桿處添加長度調節裝置，以此來調節外骨骼助力機器人的高度，適合不同高度的人穿戴。腰部要設計成可調節寬度的結構，可以通過連接銷安裝孔調節腰部寬度，適合不同寬度的人穿戴。

3) 安全可靠

在每個自由度都設計了可調節的機械限位，總的原則是使外骨骼的運動范圍略小于或等于人體關節的運動范圍，以保證人機交互過程中人的安全。

4) 穿戴舒適

外骨骼要具有穿戴舒適性，設計中需要考慮外骨骼的機械結構與使用者的貼合度、運動自由度的分配及冗余自由度的選擇等因素。外骨骼機械結構自由度的選擇與設計以能夠滿足穿戴者的基本行動，不與穿戴者發生干涉為前提。在設計時要保證外骨骼助力機器人的關節轉動中心和人體關節的轉動中心在冠狀面的一條直線上，對外骨骼的踝關節與髖關節進行計算分析，確定腰帶長度、大腿綁帶的位置和踝關節在冠狀面內的長度和布置位置的具體數值。這些數值的給出，保證人機交互過程中穿戴者安全同時，還考慮了穿戴的舒適性。所有與人體接觸部位都要采用柔性接觸設計。

5) 便于攜帶

外骨骼助力機器人的設計尺寸要盡可能小，在無動力情況下，膝關節折疊以后，在髖關節處向背架方向可折疊，便于打包和攜帶。

2.2 驅動技術研究

外骨骼助力機器人的驅動系統必須質量輕、體積小，并且能提供足夠大的驅動力矩或扭矩，同時要具有良好的散熱性能。當前國際上的外骨骼助力機器人最主要的的驅動系統主要為液壓驅動系統和電動機驅動系統。

1) 液壓驅動

采用液壓驅動方式能夠增強外骨骼助力機器人的承載能力，具有緩沖功能，易于實現小型化，因此液壓驅動型外骨骼助力機器人更適于物資裝備的背負和搬運。但是液壓驅動具有不可忽略的缺點，工作噪聲較大，效率低，容易泄露等，因此在進行液壓驅動系統設計時要充分發揮其優點，減小其自身缺點的影響。在保證執行元件能夠滿足機構使用要求的情況下，盡量減少執行元件和控制閥的數量。在可能的情況下優化控制閥的結構設計，以期從液壓元件本身和數量上減少對液壓系統能源的消耗，從而達到系統減重、降耗的目的。美國洛克希德馬丁的HULC，哈弗大學的Soft Exosuit，雷神公司的XOS2和我國北京理工大學、兵器202所和航天206所等采用了液壓驅動系統。

2) 電動機驅動

現在的電機技術比較成熟，結構簡單便于控制，但是其動態平衡性不好，負重能力有限，更適合應用于民用領域和工業領域。但如果實現較大動力的驅動，則需選取電機的體積也可能會較大，這樣對機構的輕巧、靈活性帶來一定的問題。日本HAL，以色列Rewalk和法國的“大力士”等外骨骼助力機器人，我國的中航雙興科技有限公司，兵器208所和電子科技大學等外骨骼采用了電動機驅動技術。

2.3 傳感及控制技術研究

外骨骼助力機器人的傳感器就像人的神經系統，通過傳感器能夠實時在線檢測穿戴者的姿態、各關節處的角速度和力矩，并反饋給控制系統進行控制。在外骨骼助力機器人系統中需要用到的傳感器有編碼器，力/力矩傳感器、加速度傳感器。力傳感器用于測量關節驅動器的推力/拉力，穿戴者的前腳掌和足跟對鞋底的壓力；加速度傳感器用于監測各個腿桿的加速度和位姿；編碼器用于監測各個關節的轉角。通過這些傳感器實時監測外骨骼在運動過程中的參數，可實現對外骨骼運動的全狀態觀測。

可以應用到外骨骼助力機器人上的控制方法有操作者控制、肌電控制、預編程控制、主從控制、直接力反饋控制、地面反作用力控制、ZMP 控制、靈敏度放大控制等，不論應用哪種控制策略，都要實現人機耦合一體化，實現對外骨骼助力機器人的智能控制。同時，所設計選用的智能控制系統必須具備極強的抵抗外界環境干擾能力和重復使用性能，具有自學習增強適應性功能，故障自檢功能，快速跟蹤人體運動軌跡和姿態等功能。

2.4 能源技術研究

目前國內外的外骨骼助力機器人主要用蓄電池為驅動系統和控制系統供電，續航能力受到蓄電池容量和效率的約束。高效、低噪和輕小型的燃料電池、太陽能充電系統如果能應用于外骨骼助力機器人，將會大大的增加其續航里程。德國SFC公司最新研發了一種結合傳統燃料電池技術和甲醇技術的新型燃料電池M-25，續航能力至少72小時，比同等時長的傳統電池輕80%，可以將燃料電池應用于外骨骼助力機器人上，或借鑒其相關技術研發一種更適合外骨骼助力機器人的燃料電池。美國軍方配備了一種充電效率高、重量輕、可彎曲和免維護的太陽能充電系統，可以為電臺、筆記本電腦，甚至可以通過多組聯接提高功率，給汽車等大功率設備充電，可以對現有外骨骼助力機器人應用的蓄電池進行改進，利用太陽能充電系統充電續航。

2.5 安全性設計研究

外骨骼助力機器人在工作過程中有可能出現摔倒、碰撞和控制失效等意外狀況，勢必會對穿戴者造成傷害，所以對外骨骼助力機器人的安全性進行設計研究勢在必行。在整個設計與應用過程中要堅持以人為本，應在設計、控制、操作和維護等各個環節對系統建立安全評價方法。對外骨骼助力機器人本身而言，可以采取在保證各機械構件滿足強度和剛度的前提下采用質量小、慣性小的構件，在各關節處設置安全限位保護裝置和緩沖阻尼裝置。控制系統在意外斷電和信號丟失后使驅動器回到自由狀態，要易于穿戴者自身進行控制。此外，在外骨骼助力機器人與穿戴者直接接觸的部位可以安置安全氣囊或彈簧緩沖墊，減小外骨骼助力機器人對穿戴者的傷害。

3 外骨骼助力機器人的應用

外骨骼助力機器人的研究和應用已經多年，有許多成熟產品已經投放到了市場，根據Marketsandmarkets 研究報告，2014 年外骨骼助力機器人市場規模為1 650萬美元，預計到2021年增長到21億美元。隨著外骨骼助力機器人相關技術的不斷完善、成熟，外骨骼助力機器人在軍事領域、醫療領域和工業領域的應用將最為廣泛。

3.1 軍事領域的應用

外骨骼助力機器人可以增強士兵的負重能力、機動性、耐久性等，在軍事領域主要體現在以下幾個方面：

1) 提高作戰效能：現在各國士兵都配備了一些新型的設備和武器，增強了士兵的作戰力，但是也增加了士兵的負擔。士兵穿戴外骨骼助力機器人后不但能代替士兵本身承擔這些設備的重量，甚至可以減少士兵正常行走的體力消耗，這將顯著增強士兵作戰的機動性和耐久性。

2) 后勤補給與戰地救援：避免人工高強度重復勞動導致的肌肉拉傷，輕松實現彈藥的搬運。在戰場救援方面，救援人員可攜帶較重的醫療救援設備抵達目的地，或者快速將負傷人員從戰場上轉移到安全區域。執行后勤保障任務時，可用有限的人力靈活運送物資裝備，能夠較好地解決物資裝備運輸補給與靈活性、隱蔽性之間的矛盾。

3) 綜合作戰：士兵能攜帶更多的和火力更大的武器裝備提高打擊能力，在外骨骼助力機器人上加裝適合單兵的復合材料裝甲提高防護能力，外骨骼助力機器人可以加裝傳感器系統，以加強士兵的戰場態勢感知能力。

3.2 醫療領域應用

現在全球老齡化加劇，與此同時，由于各種自然災害、疾病以及交通事故造成的殘障人士也在逐年增加。無論是老年人還是下肢殘疾人，他們的活動范圍都受到了很大的限制，這就大大降低了他們的生活品質和生活自由度。外骨骼助力機器人的助力行走功能可以增大老年人和殘疾人的活動范圍，提高他們的行動自由度，改善他們的生活品質，幫助他們更好的融入社會。外骨骼還可用于醫療運動康復輔助訓練，用數值量化的客觀評價方法改善訓練效果。據相關資料，截止2015年，有84臺Rewalk 外骨骼機器人在多家康復中心使用以及54臺在個人和社區使用，Ekso 機器人外骨骼已進入全球60 家康復中心，共計出售或出租64 臺Ekso，累計幫助3000多位患者進行治療，HAL 外骨骼助力機器人已進入163 家康復中心。

3.3 工業領域應用

在工業領域外骨骼助力機器人可以應用于工程施工、緊急救助、生產制造、搬運運輸、危險工作等。其中，工業生產領域外骨骼助力機器人可以幫助生產線上的工人減輕重復勞作的壓力，還可以做手臂重物支撐，可以替代小型叉車。外骨骼在工業領域已經進行了許多次測試。2011 年普吉特海灣海軍造船廠，工人身著全身外骨骼機器人(HULC+Zero-G)托舉電動砂輪機進行船體打磨，打磨時間僅為常規耗時的1/3。美國海軍隨后又在海軍船塢進行了洛克馬丁公司的Fortis 外骨骼機器人的試驗和評估。穿戴韓國大宇的外骨骼機器人的工人可以輕松抬著30 kg的東西用正常速度行走。日本HAL外骨骼機器人被用于福島核電站救助現場，外骨骼系統既可以助力，還可以防輻射。Ekso Bionics 的研究人員正在測試一款為建筑和工業領域的工人而設計制造的仿生學外骨骼，這款外骨骼助力機器人使得普通人能夠擁有真正的“超級力量”。

4 結論

目前雖然各國在外骨骼助力機器人的研制成績斐然，但還存在很多問題，軍用外骨骼助力機器人的裝備時間還是未知數，民用外骨骼助力機器人的商業化進程也較緩慢。然而在微驅動技術、材料科學、能源技術以及信息技術等這些新技術的推動下，外骨骼助力機器人會向著人工智能、高效輕小、安全可靠、柔順舒適、低廉多用等方向不斷發展。

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(責任編輯 周江川)

Analysis of Exoskeleton Assist Robot Research Status and Key Technology

ZHOU Jia-yong, MO Xin-min, ZHANG Ang, MENG Xiao-jing, ZHAO Hao，JI Ping-xin

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)

According to the research work of accumulation and access to relevant literature, study on the status quo of exoskeleton at home and abroad were summarized, and the exoskeleton assist robot of structure techniques, driving control technology, sensor technology, energy technology and security technology and so on were analyzed, and the application prospect of exoskeleton assist robot in the military field, medical field and the industrial field were analyzed.

exoskeleton; assist robot; key technology

2016-05-19；

2016-06-15

周加永(1984—)，男，工程師，碩士研究生，主要從事液壓及機械設計技術研究。

10.11809/scbgxb2016.10.021

周加永，莫新民，張昂，等.外骨骼助力機器人研究現狀與關鍵技術分析[J].兵器裝備工程學報，2016(10):99-104.

format:ZHOU Jia-yong, MO Xin-min, ZHANG Ang, et al.Analysis of Exoskeleton Assist Robot Research Status and Key Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):99-104.

TP24

A

2096-2304(2016)10-0099-06