面向上肢的外骨骼驅(qū)動器綜述

丁志遠(yuǎn) 方禮賢 陳浩 任雨菲 楊雨昕

摘 要：首先闡述了上肢外骨骼研究的背景和意義；接著總結(jié)了國內(nèi)外上肢外骨骼的研究現(xiàn)狀，分析了幾種典型的上肢外骨骼助力器的特性和功能；然后從機構(gòu)設(shè)計和驅(qū)動設(shè)計兩方面分析了上肢外骨骼機器人的設(shè)計要點，再以彈性驅(qū)動器為例介紹了仿生驅(qū)動器的概念；最后結(jié)合人工智能技術(shù)，對上肢外骨骼的發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：仿生驅(qū)動器；上肢外骨骼；機器人

中圖分類號：TP24 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0035-04

Abstract： Firstly， the background and significance of upper limb exoskeleton research are described， the research status of upper limb exoskeleton at home and abroad is summarized， and the characteristics and functions of several typical upper limb exoskeleton boosters are analyzed. Then， the design key points of the upper limb exoskeleton robot are analyzed from two aspects of mechanism design and drive design， and the concept of bionic driver is introduced by taking the elastic driver as an example. Finally， using artificial intelligence technology， the development prospect of upper limb exoskeleton is prospected.

Keywords： bionic driver； upper limb exoskeleton； robot

引言

隨著醫(yī)療技術(shù)的進步和物質(zhì)的豐富，人類的平均壽命在不斷延長，人口老齡化在加劇，老年人的健康漸漸成為社會關(guān)注的熱點。在威脅老年人健康的眾多疾病中，中風(fēng)因其高發(fā)病率、高死亡率和高復(fù)發(fā)率成為了最具威脅的一種。醫(yī)療科技的進步使得中風(fēng)的死亡率大幅下降，偏癱后遺癥[1]患者數(shù)目卻無可避免地在增加。臨床試驗證明，除了手術(shù)和藥物治療外，康復(fù)運動訓(xùn)練有助于偏癱患者在大腦中樞與肢體運動控制之間重新建立有效聯(lián)系[2]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

上肢外骨骼驅(qū)動器首次受到科研人員關(guān)注可追溯到上世界60年代至70年代，一直到20世紀(jì)的80年代，上肢驅(qū)動器的研究一直停留在起步階段。隨后，越來越多的科研工作者積極投身于這個領(lǐng)域，到20世紀(jì)90年代，該領(lǐng)域的研究正式進入全面發(fā)展階段。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

2006年，University of Washington設(shè)計出了一種由電機-纜繩-滑輪驅(qū)動的上肢康復(fù)機器人CADEN-7（Cable-Actuated Dexterous Exoskeleton for Neurorehabilitation），如圖1所示。該驅(qū)動器基于人體工學(xué)設(shè)計，能夠?qū)纭⒅庖约巴笕齻€關(guān)節(jié)進行康復(fù)訓(xùn)練[3]。

美國Arizona State University的Thomas Sugar等人設(shè)計一種以氣動肌肉作為動力驅(qū)動的康復(fù)機器人RUPERT（Robot Upper Extremity Repetitive Therapy Device），如圖2所示。第一代RUPERT能夠?qū)纭⒅庖约巴笕齻€關(guān)節(jié)的四個自由度進行康復(fù)訓(xùn)練，但因為氣動肌肉只能提供單方向的動力，因此關(guān)節(jié)往復(fù)運動中的返程運動仍需手工外力進行干預(yù)；第二代的RUPERT相較于第一代，在整體結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了改良，面向體征不同的患者，設(shè)計了能夠?qū)㈥P(guān)節(jié)中心和上肢臂長進行調(diào)整的構(gòu)件；第三代采用了新型石墨復(fù)合材料，使結(jié)構(gòu)更為輕便；到第四代，通過安裝在機器臂上角位移、力矩和壓力這三個傳感器檢測運動狀態(tài)，能夠精確控制和記錄訓(xùn)練參數(shù)，實現(xiàn)訓(xùn)練的優(yōu)化[4]。

日本的筑波大學(xué)所開發(fā)的HAL系列[5]是目前世界上較成功的商品化康復(fù)機器人。其本質(zhì)是一種與身體捆綁的行走用機器人。當(dāng)使用者試圖行走時，大腦會通過肌肉電流信號（EMG），體表傳感器檢測到這種電信號之后，激活HAL的伺服系統(tǒng)，以此增強行走的強度和抗干擾性。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在此領(lǐng)域的研究起步較晚，且大多數(shù)為學(xué)校等科研機構(gòu)，進行相關(guān)研究的企業(yè)很少。近年來，經(jīng)過科研工作者的不斷努力，我國也研究出一系列具有價值的上肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機器人。

上海交通大學(xué)的研究人員設(shè)計了兩代上肢機器人外骨骼，如圖4所示。該機構(gòu)圍繞人體上肢運動學(xué)進行設(shè)計，能夠模擬上肢的七個自由度運動，實現(xiàn)有效助力。

華中科技大學(xué)研究人員提出了一種以氣動肌肉作為動力的上肢外骨骼機器人[7]，如圖5所示。采用氣動肌肉作為動力源，能夠使輸出和輔助矯正更加柔和，避免了剛性康復(fù)外骨骼對患者的二次傷害，同時氣動動力滿足了康復(fù)訓(xùn)練所需要的強度。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究項目以心肺復(fù)蘇為主，康復(fù)訓(xùn)練為輔，選用電機作為動力源，設(shè)計出一種基于肌電流信號的上肢助力驅(qū)動器[8]，如圖6所示。采用電機驅(qū)動的上肢康復(fù)機器人能夠在完成康復(fù)訓(xùn)練中往返運動的同時，保證運動的高精度。同時電機也方便采集記錄電機角度，對康復(fù)運動的過程實現(xiàn)反饋，具有效率高、污染小和高精度的特點。

2 上肢外骨骼驅(qū)動器的設(shè)計

2.1 上肢外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，大多數(shù)上肢助力機器人以康復(fù)領(lǐng)域的外骨骼為主，驅(qū)動功率低，驅(qū)動數(shù)量更少。但因其特殊的醫(yī)療康復(fù)使用工況，因此其設(shè)計不僅要滿足機械設(shè)計要求，也要滿足醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計使用需求，具體要求包括：（1）安全性；（2）運動功能性；（3）結(jié)構(gòu)性要求；（4）康復(fù)效果和舒適性。

外骨骼助力器要想實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練過程的舒適性，就必須從人體的生物學(xué)出發(fā)，全面地對肢體各個部分的運動范圍和運動特點進行分析，盡可能使所設(shè)計的外骨骼更符合人體結(jié)構(gòu)，從而使使用者穿戴安全舒適、動作靈活不受限制。因此，外骨骼的機構(gòu)設(shè)計需滿足以下幾點：（1）外骨骼應(yīng)可能遵循仿生原則，在尺寸、參數(shù)方面需參考人體；（2）上肢外骨骼的各個關(guān)節(jié)都應(yīng)對應(yīng)人體相應(yīng)關(guān)節(jié)，如圖7人體上肢解剖圖所示；（3）外骨骼要保證有一定的運動范圍，既能保證不限制人體運動，又能確保動作的安全。

2.2 上肢外骨骼的驅(qū)動設(shè)計

當(dāng)下大多數(shù)機器人都采用液壓、氣壓、電機這三種動力供應(yīng)方式或混合動力供應(yīng)。

2.2.1 液壓驅(qū)動

液壓驅(qū)動的工作原理為由液壓缸對液體增壓，使機械能轉(zhuǎn)化為壓力，再由液壓缸對外做功。它的優(yōu)點是力矩大、精度高和響應(yīng)快，多用于大型起重設(shè)備。但也存在液壓油易泄露、對工況要求高以及整體結(jié)構(gòu)笨重的缺點，因此不適用與穿戴型上肢外骨骼機器人，多用于大型外骨骼設(shè)備。

2.2.2 氣壓驅(qū)動

氣壓驅(qū)動的工作原理與液壓驅(qū)動類似，因為需要配備氣源對氣體進行壓縮，故系統(tǒng)在運行過程中存在噪音大和穩(wěn)定性差的缺陷，因此也不適用大多數(shù)穿戴型上肢外骨骼。

2.2.3 電機驅(qū)動

電機驅(qū)動只需要購買電源和電機，電機購買、使用、控制和參數(shù)反饋都更為便捷。污染小、信號傳遞簡單以及結(jié)構(gòu)輕便，使得電機成為了在設(shè)計上肢外骨骼機器人的首選。商品化最成功的的日本筑波大學(xué)外骨骼機器人HAL系列便是采用了電機驅(qū)動系統(tǒng)。

2.3 彈性驅(qū)動設(shè)計

目前國內(nèi)的研究大多實現(xiàn)了上肢外骨骼助力器安全和小體積的需求，越來越多的研究人員將目光轉(zhuǎn)移到外骨骼舒適度特性上。

要想達(dá)到最佳的康復(fù)效果，需要使康復(fù)系統(tǒng)的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，其力學(xué)特性也要盡量接近人體肌肉的力學(xué)特性，這種力學(xué)特性包括柔性的抗沖擊能力和剛性的輸出負(fù)載能力。傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器具有出色的位置控制和速度控制，彈性驅(qū)動器正是在傳統(tǒng)驅(qū)動器中引入彈性元件而設(shè)計（如圖8所示）。電機仿生人體骨骼作為剛性輸出，彈性元件模擬肌肉作對外來負(fù)載的緩沖，最大程度的達(dá)到了仿生的效果。

3 結(jié)束語

外骨骼機器人在軍事、生活和醫(yī)療等領(lǐng)域擁有著廣闊的發(fā)展前景，逐漸引起了各界的重視，近年來隨著高校等機構(gòu)投入的增加，諸如柔性安全、噪音和舒適度差等技術(shù)難題都得到了突破性的進展，但仍有很多問題亟待解決：（1）商品化康復(fù)機器人體積笨重、造價昂貴，很難進入平民化醫(yī)療水平；（2）外骨骼的能源利用效率轉(zhuǎn)化率較低；（3）與使用者預(yù)期的運動擬合度不高；（4）外骨骼機器人自適應(yīng)能力較弱，無法進行自學(xué)習(xí)。人工智能技術(shù)的興起，或許在不久的將來就能夠?qū)⒅悄芗夹g(shù)嵌入上肢外骨骼機器人之中。通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)對外骨骼運動的參數(shù)進行分析并預(yù)測，或可加強外骨骼機器人的自學(xué)習(xí)能力。

隨著科技的進步和社會的重視，上肢外骨骼將廣泛應(yīng)用于社會的各個方面。

參考文獻：

[1]王隴德，劉建民，楊弋，等.《中國腦卒中防治報告2017》概要[J].中國腦血管病雜志，2018，15（11）：611-616.

[2]陸立威，朱東暉.康復(fù)機器人輔助訓(xùn)練對偏癱患者上肢功能及日常生活活動能力的影響[J].醫(yī)藥前沿，2018，8（8）：383-384.

[3]Perry J C， Rosen J， Member， et al. Upper-Limb Powered Exoskeleton Design[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2007，12（4）：408-417.

[4]Balasubramanian S， Wei R， Perez M， et al. RUPERT： An exoskeleton robot for assisting rehabilitation of arm functions[C]// Virtual Rehabilitation， 2008. IEEE， 2008.

[5]Hayashi T， Kawamoto H， Sankai Y. Control method of robot suit HAL working as operator's muscle using biological and dynamical information[C]// Intelligent Robots and Systems， 2005. （IROS 2005）.2005 IEEE/RSJ International Conference on. IEEE， 2005.

[6]王源.外骨骼上肢機器人運動康復(fù)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練與評價研究[D].上海交通大學(xué).

[7]吳軍.上肢康復(fù)機器人及相關(guān)控制問題研究[D].華中科技大學(xué).

[8]陳燕燕.上肢外骨骼機器人康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué).

[9]Zoss A B， Kazerooni H， Chu A. Biomechanical design of the Berkeley lower extremity exoskeleton（BLEEX）[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2006，11（2）：128-138.

[10]Bekey G A. Springer Handbook of Robotics （B. Siciliano and O. Khatib； 2008） [Book Review][J]. Robotics & Automation Magazine IEEE， 2008，15（3）：110-110.