無動力與動力外骨骼機器人對比研究進展

韓揚卓 成都體育學院

一、研究目的

隨著自動化技術的發展，航空航天領域、醫療康復領域、工業領域、軍事領域、體育運動領域都需求具有人體機能輔助功能的機器人研究取得重大突破。外骨骼機器人可以把機器人的體力與人體的智力進行完美的結合，它作為一種能夠輔助并提高人體機能的穿戴式機器人，具有非常廣泛的應用價值，可以實現單純機器人不能實現的復雜的運動。目前，外骨骼機器人的動力來源主要是電力、液壓、氣壓等，存在質量重、成本高、使用不方便等問題。而無動力外骨骼機器人是不借助能源設備和非自然的外力來驅動，利用使用者自身來操作的外骨骼機器人。本文對有關無動力和動力外骨骼機器人的研究進行綜述，為機器人研究提供一定的理論意義和實踐價值。

二、研究方法

本文以“Unpowered；Powered；Exoskeleton；Robot”通過CNKI、PubMed、Web of Science、Sport discuss 等數據庫中檢索，對文獻進行歸納總結，共納入有效文獻43篇，試圖綜述無動力與動力外骨骼機器人的對比研究進展。

三、研究結果

動力外骨骼與無動力外骨骼機器人的比較：1動力來源 動力外骨骼機器人的動力來源主要是液壓、氣壓、電力等，在一定程度上在助力以及康復等方面有顯著效果，但存在質量重、使用不方便、成本高、能源及續航等問題。而無動力外骨骼機器人是基于生物學和人體解剖學，主要由機械支架、無動力彈性元件及連接件構成，分別對應人體運動系統中的骨骼、肌肉和肌腱，是動力學、機械工程和仿生學的完美結合。彈簧好似人體肌肉和肌腱的配合可以儲存、釋放、傳導形變勢能，循環利用人體運動過程中的能量，從而降低穿戴者運動的能量消耗，質量輕、成本低，使用方便。2自身重量及舒適性 動力外骨骼機器人的骨架是由金屬連桿組成的剛性結構，自身體積比較大，且比較笨重，穿戴時需要將下肢外骨骼與穿戴者腰部、大腿或小腿及腳部用綁縛帶連接在一起。當穿戴者行走時，人體與外骨骼連桿結構一起運動，使自然行走步態受到干擾，行走習慣發生改變。此外，由于下肢外骨骼的各關節運動軸運動軌跡與穿戴者運動軸的運動軌跡很難完全匹配，導致行走時外骨骼與人腿之間存在一定的相對運動，影響穿戴者的舒適和體驗。無動力外骨骼機器人主要由機械支架、無動力彈性元件及連接件構成，它是仿生構型基于人體的運動復現，能夠因人而異進行尺寸的調節；結構緊湊、材料密度低，剛柔結合，也滿足了輕量化的使用要求；無動力外骨骼將人機結合，人是運動的主體，機器起到輔助作用，使用時穿戴方便。3續航性 動力外骨骼機器人攜帶的電池由于自身重量限制的影響以及電池能量密度的影響，續航時間一般較短。而無動力外骨骼機器人主要通過生物力學，骨骼肌以及彈簧來實現，很少會有能源不足的狀況出現。4精準度 人體結構復雜，由于受到傳感器和驅動器自身性能的影響，再加上動力外骨骼本身質量重，在運動過程很難快速、精準地得到驅動關節的轉動速度、轉動力矩、人體傾斜度、腳底壓力分布、速度、腦電和肌電等運動及姿態信息，并未能實現許多信息的及時融合以及人機的高效協同作用。目前，無動力外骨骼助力機器人使用的是彈簧，雖然是基于人體解剖學和生物學，但是在一定程度上人體與外骨骼機器人的關節軸線還是存在著一定的偏差，導致精準度降低。為了解決人機軸線不重合問題，很多研究進行了許多嘗試，例如研發自動校準帶輪、導軌滑塊結構，增加多個連接關節、被動自由度等等，但效果都不理想，因此這仍是今后的研究重點。5經濟性 動力性外骨骼機器人結構復雜，且存在能源問題，造價高昂，但是適用于癱瘓或者搶險救災。而無動力的被動彈性裝置可以大大減少行走所需的肌肉力量和代謝能量，而不需要改變運動方式。當最佳設計時，這樣的設備可能允許肌肉功能缺陷的患者獨立運動。

四、研究結論

綜上所述，動力外骨骼機器人適用于康復、航天、工業、搶險救災等需要動力大，防護性強的領域；而無動外骨骼更加適用于助力助行，或者在康復后期的有一定自主運動能力的人，它所產生的動力小，對受試者自身重量也有限制。因此在選擇使用外骨骼機器人時應綜合考慮選擇，但不論是動力型還是無動力型都沒有很高的精準度，這也是后期研究的重點，試驗時應當考慮進去。