下肢可穿戴外骨骼發展現狀的分析與研究

孟 飛 彭興禹 徐尤南

（載運工具與裝備教育部重點實驗室 華東交通大學， 江西 南昌 330017）

0 引言

外骨骼這一概念在早期的科幻小說中被提出，在現實社會中最早被提出可以追溯到19 世紀30 年代。隨著工業革命的發展，英國人首次提出將蒸汽機穿戴在人身上來增加人體力量[1]144-145。19 世紀末期，俄羅斯人尼古拉斯·亞根（Nicholas Yagn）申請了一項外骨骼專利，這是首次提出制造的外骨骼裝備，但是這臺裝備并未被制造出來。直到20 世紀60 年代，外骨骼的研究取得實質性進展。1963 年，美國陸軍外彈道實驗室的扎魯德尼（Zaroodny）發表了一份技術報告，提出已著手解決外骨骼的可攜帶電源、控制系統、傳感系統、人機交互系統等難題[1]146-147。20 世紀60 年代末期，在美國海軍研究辦公室的資助下，通用電氣研究公司和康奈爾大學合作研發了首臺全身動力外骨骼模型，這臺外骨骼模型被命名為“Hardiman”，其質量達680 kg，有30 個自由度并且覆蓋全身[2]，雖然它不具備靈活緊湊的特點，但這是可穿戴外骨骼的首個原型機。在2000 年，美國國防部高級研究計劃局開始啟動外骨骼項目，隨后，多個國家掀起了外骨骼研究的熱潮，可穿戴外骨骼領域進入飛速發展階段。

研究外骨骼的初衷是為了增強人體力量，應用于軍事領域以增強單兵作戰能力?？蒲腥藛T根據仿生物學，結合計算機輔助、動力驅動等，使人體穿戴以后能夠大幅度提高自身力量和速度，實現舉重若輕的目的。隨著技術的發展，外骨骼被開發應用于康復領域，針對下肢肢體受損導致行走功能不健全的人，利用可穿戴外骨骼設備可以幫助他們行走。

自從外骨骼發展以來，國內外眾多高校和研究機構開始相關研究。如美國麻省理工學院、哈佛大學、日本中央大學、神奈川大學、韓國現代集團、漢陽大學、中國的電子科技大學、浙江大學等，在相關領域已經取得巨大成就[3]166-167。

隨著動力下肢外骨骼的研究，在動力驅動領域遇到瓶頸，一些研究人員開始研究無動力被動外骨骼，采用平行串聯結構、彈性結構等形式，在人體行走過程中搜集能量，在適當的時機釋放儲存的能量，從而達到幫助行走的目的。

1 有動力驅動外骨骼

在有動力驅動的下肢外骨骼中，可以將外骨骼分為兩種類型：剛性外骨骼，指采用剛性結構與人體下肢關節對齊的方式設計，主要為人體行走提供支撐和動力；柔性外骨骼，指采用柔性元件，例如鮑登線、布帶、氣動肌肉等材料制成的外骨骼，其可以避免剛性外骨骼因為人機交互而產生的干擾，提供較好的穿戴舒適性，主要為人體行走提供輔助，改善行走步態，應用于康復領域。

1.1 剛性動力驅動外骨骼

剛性動力外骨骼一般利用電機、液壓、氣動等能源為外骨骼提供動力，采用剛性桿件，通過傳感器、計算機等來實現人體運動意圖感知，從而產生配合人體行走的行為。

2000 年，美國伯克利仿生公司研發了第一代下肢外骨骼機器人BLEEX[1]147-148，研發者宣稱這是第一個搭載負載和移動動力的下肢外骨骼（圖1）。BLEEX采用線性液壓驅動下肢外骨骼，共有7 個自由度（臀部關節3 個自由度，膝關節1 個自由度，踝關節3 個自由度）。其中，髖關節屈曲和伸展、外展和內收，膝關節彎曲和伸展及踝關節屈曲和伸展由液壓缸直接驅動[4-6]。在人體的冠狀面，根據外骨骼運動學設計，兩個腿部骨骼共享髖關節的旋轉關節，從而避免與人體髖關節相交，其兩條腿部長度可調節，以適應不同腿長的人穿戴。BLEEX 的自身質量為38 kg，最大負載為75 kg。在搭配滿額負載的情況下，行走速度可以達到0.9 m/s；在無負載的情況下，最大行走速度為1.3 m/s[7-9]。但是，該外骨骼系統驅動自由度過多，導致外骨骼過于復雜；自身質量與負載比值較小，系統笨重；人機協調性和穿戴舒適性差，續航時間短。

圖1 BLEEXFig.1 BLEEX

美國Sarcos 公司在美國國防部高級研究計劃局EHAP 項目支持下也展開了下肢外骨骼機器人的研究。與BLEEX 相比，該公司設計的機器人直接在轉動關節處安裝旋轉液壓驅動器。根據實驗數據，穿戴者能夠搭載重達90 kg 的負載，在最大負載時能夠以1.6 m/s速度行走；其余信息則很少被公開[10-11]。

2012 年，以色列ReWalk 公司研發的ReWalk 可穿戴下肢機器人（圖2）獲得了歐盟CE 認證，獲得進入歐洲市場的許可，ReWalk 的主要作用是幫助有行走困難的人群重新站立行走[12]。設計師采用了較少的自由度，從而減輕了機器人的協調困難。ReWalk設計了一種雙肩包式的背包，把電源以及計算機放在一起，使得機器結構緊湊。通過電機驅動髖關節和膝關節，通過彈簧輔助驅動踝關節。ReWalk 自身質量為20 kg，行走速度為1.6 km/h，在充滿電的情況下，其續航能力為160 min[13]。另外，ReWalk 設計有腕帶式的控制器，可以切換其行走模式，幫助穿戴者行走、蹲起和上下樓梯；額外配備輔助拐杖以保持行走平衡[14-15]。腕帶式的控制器和拐杖簡化了穿戴者操作，增加了安全保障，其髖關節和膝關節的主動驅動使得外骨骼系統更加簡潔。

圖2 ReWalkFig.2 ReWalk

2015 年，韓國漢陽大學的金孝坤（Hyo-gon Kim）團隊采用在下肢外骨骼機器人EXO（圖3）合適關節處加入彈性元件或者耗散元件的方法，幫助穿戴者在行走和蹲起的過程中減少能量消耗。該機器人自身質量約為35 kg，使用電機驅動，連接半主動液壓系統實現驅動外骨骼的意圖。通過加入彈性和耗散元件，在20 kg 的負載時，可使穿戴者受到的地面作用力減少200 N[16]。但由于自身質量過重，該外骨骼在無負載時反而會增加人體下肢受力，只適用于背負重物，使用范圍小。

圖3 EXO Fig.3 EXO

浙江大學也研發了類似于ReWalk 的下肢可穿戴機器人（圖4），可用于幫助患者康復和幫助行走。通過在拐杖上面設計按鈕，識別人體意圖，達到人機交流的目的。該機器人也可以幫助患者從坐姿到站立起來、上下樓梯行為。

圖4 下肢可穿戴機器人（浙江大學）Fig.4 Lower limb wearable robots（Zhejiang university）

2015 年，電子科技大學的團隊和Huu Toan Tran教授研發了一種人體動力增強下肢外骨骼HUALEX（圖5），其在大腿處設計了可以調節長度的連桿，通過電機直接對髖關節和膝關節進行驅動。該外骨骼能夠在行走速度為1.04 m/s 時將72%的負載傳遞到地面[17-18]。但是，該外骨骼在其髖關節和膝關節處直接加裝電機，增加了人體在冠狀面的負載。

圖5 HUALEXFig.5 HUALEX

北京大艾機器人科技有限公司2018 年推出Ailegs 下肢機器人（圖6）。該機器人背部、大腿和小腿的長度尺寸都可以進行調節。因此，機器人可以與不同的身高穿戴者進行匹配，且體積小、質量輕、便于攜帶[19-20]。

圖6 AilegsFig.6 Ailegs

1.2 柔性動力驅動外骨骼

剛性外骨骼機器人因其物理特性易導致人機關節不對齊、附加力矩大，存在穿戴舒適性差、攜帶不便等不足，許多研發機構開始研究柔性下肢外骨骼機器人。

日本中央大學研制了用于提高行走能力的行走助力機器人[21]（圖7），該機器人采用氣動人工肌肉作為驅動單元，通過收縮和釋放相應結點，以髖關節為旋轉中心產生力矩，輔助大腿抬起并向前邁步，增加了步長，從而提高了行走能力。在行走速度為0.97 m/s的跑步機上，平均步長增加23 mm；在下肢擺動期間，腿部肌肉活性降低，生物代謝較少，但在支撐期半腱肌活性增加[22]。

圖7 助力機器人（日本中央大學）Fig.7 Power assisted robots(Chuo University)

2013 年，哈佛大學的Wyss 實驗室研發了基于鮑登線的多樞紐柔性下肢外骨骼原型樣機Exosuit（圖8）。該機器人采取新型的輕質彈性紡織帶取代傳統的剛性布局，使穿戴者的下肢擺脫剛性質料的束厄局面，可以讓穿戴者腿部自然彎曲，并且能讓穿戴者承受更大的載荷。該外骨骼總質量為10 kg，且續航能力達到4 h。通過對比實驗，可以降低穿戴者6%的生物代謝能量[23-25]。2016年，該實驗室通過改變控制策略，搜集在行走時產生的負能量并且使之在特定的步態周期釋放，可為髖關節提供約為人體自然行走時產生力矩的30%，使生物代謝能最高降低至16%[26-27]。

圖8 ExosuitFig.8 Exosuit

2020 年，北京航空航天大學研制出一種可實現跖屈和背屈雙向運動輔助的繩驅動踝關節外骨骼（圖9）。該外骨骼機器人使用一對單電機分別實現兩側踝關節的跖屈和背屈雙向運動輔助。該外骨骼在鞋跟和腳趾前端設置4根電纜，設計了基于齒輪—滑輪組件的繩索力傳輸系統，可有效地將動力從電機端傳遞至末端執行器，以此可實現踝關節跖屈和背屈。為了減少給穿戴者施加附加慣性力矩，研發者將電機、供能單元、控制單元安置在人體腰部附近。設計了基于足底壓力傳感器和慣性測量單元（IMU）的步態檢測系統，能有效識別穿戴者的步態周期和步行狀態。通過實驗測試，受試者在佩戴該外骨骼時比目魚肌的活動相比降低5.2%[28]。

圖9 踝關節外骨骼（北京航空航天大學）Fig.9 Ankle exoskeleton（Beihang University）

2019 年，西北機電工程研究所制作出一種穿戴式的柔性踝關節助力服（圖10）。該裝置參考了哈佛大學的柔性外骨骼設計，其特點為沿著腿部肌肉的走向安裝有織物布，可為腿部多處肌肉和肌腱起到省力的作用。通過電機、減速器、布帶和輪盤的結構，將電機產生的力傳遞到踝關節，同時還能增加對其他腿部肌肉的輔助。通過實驗，助力服可以提供的最大拉力為100 N，滿足對踝關節的助力目的[29]。

圖10 柔性踝關節助力服Fig.10 Flexible ankle booster suit

有動力可穿戴下肢外骨骼機器人基本情況對照如表1所示。

表1 有動力可穿戴下肢外骨骼機器人基本情況對照Tab.1 Comparison of basic conditions of powered wearable lower limb exoskeleton robots

2 無動力外骨骼

在有動力外骨骼研究方面，機器人的動力源多為電源、液壓或者氣壓驅動，這種裝備的設計需要搭載外部動力源，導致外骨骼成本高、質量大，也使得穿戴者的行走動作不靈活。因此，研究人員開始將研究方向轉為無動力外骨骼。由于無動力外骨骼省略了外部動力的搭載，使得外骨骼的結構更加緊湊，質量大大減輕，節省能源。

北京交通大學研發了一種自適應踝足外骨骼（圖11），該外骨骼由鞋子、離合器、伸縮彈簧和柄撐構成，沒有外部能源接入。研究人員在鞋子底部設計了兩個觸發機關，能夠識別人體的行走步態，然后通過觸發器，引起離合機構的離合，使得踝足外骨骼能夠根據步態來通過彈性元件釋放和存儲由行走產生的能量。同時，在離合器的設計上，研究人員把離合器集中設計在一個小輪盤內部，使外骨骼的結構緊湊，避免產生較大的慣性力矩。實驗結果表明，穿戴該設備后讓比目魚肌的活動減少了70%[30-31]。但是該外骨骼設計裝置太過復雜，導致機構的效率降低。

圖11 自適應踝足外骨骼Fig.11 Adaptive ankle foot exoskeleton

清華大學團隊針對脊髓損傷患者的特點和損傷程度，設計了一種新型無動力儲能外骨骼系統ESEXO（Energy-stored exoskeleton）（圖12），能夠為患者提供精準化助行。該外骨骼主要由髖骨支架、彈性儲能單元、大腿桿件和腳底支撐元件構成。其工作原理為：能量存儲單元中的兩個彈簧在步態中代替部分人體肌肉和肌肉纖維的作用，在髖關節伸展過程中彈簧儲能，在屈曲過程中彈簧釋放存儲能量對大腿進行助力，并將屈髖的部分能量存儲在另一個彈簧中，為伸髖運動提供能量[32]。研究結果表明，使用優化的儲能元件，髖關節屈曲力矩降低了37.2%，腹肌激活減少，下背部肌肉略微增加。另外，該外骨骼系統還可以通過調節儲能元件，為脊髓損傷患者提供特定的步行輔助[33]。

圖12 ES-EXOFig.12 ES-EXO

2015年，澳大利亞國防部發布OX新型無動力柔性外骨骼系統（圖13），該外骨骼系統具有質量小、輕便快捷的特點，總質量只有3 kg。該外骨骼可利用從肩部到腳部的2 條鮑登鋼纜實現負載的載荷傳遞，將背包負重轉移至地面。根據實驗結果，該外骨骼可以節省人體50%的能耗。OX 新型無動力柔性外骨骼易于和穿戴者裝備集成，不使用時可簡單拆卸并放入背包攜行，具有結構小巧、持久耐用、成本低等特點[34]。

圖13 被動彈性膝踝外骨骼Fig.13 Passive elastic knee and ankle exoskeleton

Spring Loaded Technology 公司于2012 年開展了在膝關節處通過彈性元件進行助力的項目[35]。Levitation無動力膝關節助力外骨骼（圖14）為該公司的研發成果。該無動力膝關節的特點是采用液體彈簧替換傳統的剛性彈簧，使得外骨骼在膝關節處產生的力矩能與穿戴者完美對齊[3]169-170。該外骨骼工作原理是：液體彈簧通過壓縮硅流體分子來儲存能量。當膝蓋彎曲時，外骨骼儲存能量；膝關節伸展時，外骨骼釋放能量，對人體進行助力。該款外骨骼質量僅為0.9 kg。實驗表明，該膝關節助力裝置能夠降低穿戴者的膝關節64%的負荷，同時增大穿戴者股四頭肌的轉矩、強度和力量。該裝置可應用于膝關節疾病患者、運動員、沉重體力勞動者[36]。由于該裝置的穿戴方法，可能會導致在穿過程中發生外骨骼移位的問題。

圖14 Levita-tionFig.14 Levita-tion

3 關鍵技術

3.1 有動力下肢外骨骼

可穿戴下肢外骨骼是一種集機器人技術、人體生物技術、感知技術以及控制技術等多種先進技術為一體的高精度機器人。通過閱讀國內外不同研究團隊發表的文獻，總結出下列幾項在研發有動力下肢外骨骼機器人過程中需要面臨的共同關鍵技術。

3.1.1 驅動系統

在驅動系統方面，介于能源的發展，目前常用的驅動單元為電機、液壓、氣動驅動，在這3 種驅動[37]1488-1494模式中它們擁有各自的優劣勢：

（1）電機驅動標準化程度高，能夠實現較高精度的控制，無污染。電機驅動分為盤式電機和電動推桿。盤式電機的結構簡單，可以拆卸，但體積較大，增加了外骨骼機器人質量；電動推桿通過連接滾珠絲杠，將電機旋轉運動轉為直線運動，推動關節轉動，但是需要增加額外的減速器，其功率相對較小。

（2）對于氣壓和液壓驅動，二者可以歸為同一類型驅動，都具有質量輕、功率高、慣性小等特點，但是它們成本相對較高，且控制精度差、噪聲大、密封差。

3.1.2 運動意圖與步態識別系統

（1）生理電信號的信息檢測技術，利用肌肉電信號（EMG）、腦電信號（EEG）等傳感器，貼于人體皮膚表面，通過識別肌肉電信號或者腦電信號來識別人體運動意圖。這種生理電信號能夠提前識別人體運動意圖，使機器人的響應速度更快；但是，利用肌肉電信號的傳感器容易受到皮膚表面汗液或者其他信號的干擾[37]1488-1494。

（2）關節角速度的信息感知技術，將速度傳感器或角加速度傳感器等置于下肢各個關節附近，獲取人體下肢的運動速度等信息，通過計算機等輔助計算出下肢步態信息。

（3）利用肌肉壓力電信號來識別人體下肢運動意圖[38]，將傳感器置于下肢機器人內部或者皮膚表面，根據人體行走時肌肉收縮產生的壓力來識別步態信息。

（4）地面反作用力或者足底壓力信號感知技術[39]，將力傳感器置于足底，根據人體在行走時抬起或下壓腳掌，來做出判斷識別人體運動意圖。

3.1.3 控制策略

（1）預編程控制策略，指下肢外骨骼機器人按照預先編好的運行程序運行，從而帶動操作者肢體動作。此種控制策略無需感知人體運動信息，但操作者只能進行有限干預，適用于康復領域[40]。

（2）基于力信息的控制策略，通過各種力傳感器獲取人體的運動意圖信息，通過計算機應用一定的控制算法，從而控制外骨骼機器人能夠輔助跟隨人體運動。

（3）基于生物電信號的控制策略，利用各種生物傳感器獲得的人體運動信息，反饋于處理中心，隨后，控制機器人根據感知做出跟隨穿戴者運動的動作。

（4）智能控制策略，利用模糊控制、神經網絡等智能算法，能夠智能識別人機交互信息，可以較好地實時處理任何復雜的非線性系統，同時能夠自我學習和實驗驗證不確定性系統的動態特性。

3.2 無動力下肢外骨骼

無動力外骨骼的發展相較于傳統下肢外骨骼而言起步較晚，尚處于一個新興的研究領域。無動力外骨骼的研發過程涉及人體解剖學、仿生學、人體力學、機械結構設計、材料應用等多個學科。目前，無動力外骨骼研發中的關鍵技術主要有：

（1）材料應用。在無動力外骨骼研發中，要讓外骨骼能夠滿足助力性能，滿足輕型設計原則，并具有一定的舒適性。因此，在材料的選擇上可以多選用輕型、耐高強度、對人體皮膚無損害的材料，例如，使用碳纖維蜂窩技術、尼龍布料等。

（2）助力性能。由于無動力外骨骼不搭載外部能源，相較于有動力外骨骼，其助力性能有所下降，這也是限制無動力外骨骼發展的技術難題。在研發無動力外骨骼助力機器人時，要對選擇的助力元件進行考慮。強度過大易阻礙運動，強度過小則不能提供良好的助力。

（3）控制裝置和精度。無動力外骨骼的控制裝置主要是控制外骨骼的能量轉換，讓外骨骼能夠吸收人體走動時產生的能量并儲存，同時將生物能轉換為行走需要的動能。因人體結構復雜，運動意圖的隨機性、肌肉的收縮程度與肌肉力是非線性關系[41]。同時，無動力外骨骼助力機器人不使用各種傳感器感知人體運動意圖，難以實現根據人體意愿來控制外骨骼跟隨運動。在選擇彈簧為驅動部件時，應當選擇與肌肉助力成比例的非線性彈簧。

4 展望

通過對有動力和無動力下肢外骨骼機器人的發展狀況、結構原理和裝備性能等進行回顧總結，可以使我們對下肢外骨骼機器人的作用有更深刻的理解。進入21世紀以來，在幾十年快速發展的基礎上，下肢外骨骼技術不斷成熟，但是仍然有許多技術有待提高和改進。

4.1 有動力外骨骼改善

（1）高續航。經過前面對有動力下肢外骨骼的學習，發現普遍存在續航能力不足的問題，并且電池和電機的體積較大。未來可以發展高強度的續航電池增加續航；發展大轉矩密度的電機，減小外骨骼的橫向慣性和質量，同時還能讓外骨骼輕量化。

（2）人機協調性?，F存的有動力剛性外骨骼因為剛性結構的設計導致外骨骼的步態顯得笨重。應通過提高傳感器精度、改善控制策略等，讓外骨骼的步態與人體自然步態更貼近。

4.2 無動力外骨骼發展

無動力外骨骼具有質量輕、操作方便、穿戴簡潔等特點，未來的發展可能會比有動力外骨骼更加普及。要加速無動力外骨骼的發展，未來可以向以下方面發展：

（1）提高控制精度。可以將無動力外骨骼看作人體下肢的仿生結構，沒有搭載傳感器、處理器等，導致控制精度不足。未來應加強對人體奧秘的發掘，發展更加符合人體下肢運動學的外骨骼結構和設計控制精度更高的彈性元件，讓外骨骼與人體動作協調。

（2）模塊化。無動力外骨骼多為單關節助行，未來可以對無動力外骨骼進行模塊化設計，對不同的關節實行多關節協同助行以增強穿戴效果。