外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)變化趨勢(shì)調(diào)研

文 | 淺唱柯爾特

0?前言

外骨骼這一概念在早期的科幻小說中被提出，在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中則可以追溯到19世紀(jì)30年代，隨著工業(yè)革命的發(fā)展，英國(guó)人首次提出將蒸汽機(jī)穿戴在人身上來增強(qiáng)人體力量；19世紀(jì)末期，俄羅斯人尼古拉斯·亞根申請(qǐng)了一項(xiàng)外骨骼專利，不過并未制造出成品。直到20世紀(jì)60年代，外骨骼的研究終于取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，1963年，美國(guó)陸軍外彈道實(shí)驗(yàn)室的扎魯?shù)履幔▃aroodny）發(fā)表了一份技術(shù)報(bào)告，提出已著手解決外骨骼的可攜帶電源、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、人機(jī)交互等難題；20世紀(jì)60年代末期，在美國(guó)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(xué)合作研發(fā)了首臺(tái)全身動(dòng)力外骨骼模型，這臺(tái)模型被命名為“Hardiman”，其質(zhì)量高達(dá)680kg，有30個(gè)自由度并且覆蓋全身，雖然它不具備靈活緊湊的特點(diǎn)，但這是可穿戴外骨骼的首個(gè)原型機(jī)。到了2000年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局開始啟動(dòng)外骨骼項(xiàng)目，隨后，多個(gè)國(guó)家掀起了外骨骼研究的熱潮，可穿戴外骨骼領(lǐng)域進(jìn)入飛速發(fā)展階段。

研究外骨骼的初衷是為了增強(qiáng)人體力量，應(yīng)用于軍事領(lǐng)域以增強(qiáng)單兵作戰(zhàn)能力，而隨著技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)需求的變化，外骨骼被開發(fā)應(yīng)用于其他各種領(lǐng)域。按應(yīng)用領(lǐng)域劃分，目前外骨骼可分為三種類型：用于醫(yī)療康復(fù)的外骨骼、用于運(yùn)動(dòng)助行的外骨骼以及用于增加負(fù)重能力的外骨骼；本文所調(diào)研的外骨骼康復(fù)機(jī)器人一般指可穿戴的外骨骼機(jī)器人，是一種涵蓋了生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、機(jī)器人學(xué)、仿生學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)等諸多技術(shù)的綜合體。?

自從外骨骼發(fā)展以來，國(guó)內(nèi)外眾多高校和研究機(jī)構(gòu)開始了相關(guān)研究，如美國(guó)麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)、日本中央大學(xué)、神奈川大學(xué)、韓國(guó)現(xiàn)代集團(tuán)、漢陽(yáng)大學(xué)、中國(guó)的電子科技大學(xué)、浙江大學(xué)等，在相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)取得巨大成就。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)變化趨勢(shì)、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研綜述，以期為該領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 外骨骼機(jī)器人簡(jiǎn)介

上肢外骨骼大多是機(jī)電系統(tǒng)，他被設(shè)計(jì)用來與用戶交互，以達(dá)到放大人體功率、日常輔助或替代運(yùn)動(dòng)功能的目的。

這些裝置在本質(zhì)上通常是人機(jī)交互的，因?yàn)樗鼈兣c人類上肢肌肉骨骼結(jié)構(gòu)在機(jī)械上相互作用。它們具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，工業(yè)環(huán)境中的功率放大，神經(jīng)肌肉損傷補(bǔ)償或中風(fēng)后康復(fù)，以及對(duì)殘疾人日常生活活動(dòng)的支持。

1.1 上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人發(fā)展情況

上肢醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人一般可分為兩種類型，在目前市場(chǎng)上這兩種外骨骼機(jī)器人具有相當(dāng)?shù)谋壤?/p>

1.1.1以MIT-MANUS為代表的末端牽引式醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人[1-2]

這類外骨骼機(jī)器人的工作方式主要為將使用者的手腕部分與康復(fù)機(jī)器人綁定在一起，通過康復(fù)機(jī)器人引導(dǎo)使用者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)。這種類型的還包括由我國(guó)清華大學(xué)研制2-DOF?( Degree of Freedom )上肢康復(fù)機(jī)器人UECM?等[3]。末端牽引式醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人依靠其機(jī)構(gòu)以及控制要求較為簡(jiǎn)單而且價(jià)格較為低廉，基于末端牽引式醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人在康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備中仍然占據(jù)一定的市場(chǎng)。

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1.1.2外骨骼式的醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人

上肢外骨骼醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究，西方的一些先進(jìn)國(guó)家由于社會(huì)醫(yī)療等問題首先開始邁入外骨骼機(jī)器人這一領(lǐng)域。由于此方向的前景巨大，故在國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的研究工作在二十一世紀(jì)時(shí)開始著手，一些高校、科研院開始從事此方向的研究與設(shè)計(jì)，并且都取得了一定相當(dāng)優(yōu)秀的研究成果。

美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)研發(fā)了一種名為Rupert便攜穿戴式名上肢醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人由,該外骨骼執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器為氣動(dòng)肌肉[4]。該機(jī)器人具有5個(gè)自由度，但僅由4塊氣動(dòng)肌肉執(zhí)行器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)外骨骼的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)的上肢人體關(guān)節(jié)主要為：肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)、肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)、小臂的運(yùn)動(dòng)，最后為控制手腕與手指的屈伸運(yùn)動(dòng)，基本每個(gè)關(guān)節(jié)都有多自由度的運(yùn)動(dòng)形式。Rupert上肢醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)例如康復(fù)訓(xùn)練和輔助進(jìn)食等日常活動(dòng)。

?日本東京電機(jī)大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)了一種7-DOF的外骨骼式醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人[5]，該機(jī)器人使用位置信號(hào)進(jìn)行控制工作，具體工作方式為監(jiān)測(cè)患者的位置與患者和外骨骼之間的相互作用力，患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)便由該外骨骼機(jī)器人的控制信號(hào)進(jìn)行。由日本佐賀大學(xué)研制的康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人SUEFUL-7可在訓(xùn)練過程中及時(shí)調(diào)整中心位置[6]，這一方式可以使外骨骼機(jī)器人的相關(guān)關(guān)節(jié)與患者的相關(guān)關(guān)節(jié)盡量保證對(duì)應(yīng)位置相同，但這一功能又限制了外骨骼機(jī)器人協(xié)同患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式，使患者的運(yùn)動(dòng)范圍被限制。HAL系列的外骨骼機(jī)器人由日本筑波大學(xué)的以Sankai Y教授為首的科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研發(fā)[7]。該產(chǎn)品現(xiàn)已交由日本的Cyberdyne公司進(jìn)行生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，并且美國(guó)市場(chǎng)在2017年開始使用此項(xiàng)發(fā)明產(chǎn)品，該產(chǎn)品的得到了有關(guān)部門的批準(zhǔn)。HAL-SJ型號(hào)的產(chǎn)品為運(yùn)動(dòng)輔助型的單個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的上肢外骨骼：肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)，為單自由度的外骨骼機(jī)器人,此肘部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍幾乎與人體肘部日常運(yùn)動(dòng)范圍相似，為0°~120°。電機(jī)安裝在接近于人體肘部關(guān)節(jié)處，外骨骼運(yùn)動(dòng)傳遞方式為直驅(qū)傳動(dòng)。控制方式由上肢大臂皮膚表面上的電極檢測(cè)患者表面肌電信號(hào)，該肌電信號(hào)會(huì)有一定的電位差，系統(tǒng)收集該肌電反饋信號(hào)給控制模塊進(jìn)行最終的控制康復(fù)訓(xùn)練。由HAL系列的外骨骼的多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,該外骨骼合理的康復(fù)訓(xùn)練模式對(duì)于上肢的功能康復(fù)改善效果是非常明顯的。

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除了在上文中提到的一些在醫(yī)療外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域的優(yōu)秀研究成果。還有韓國(guó)研制了一種全身型6-DOF康復(fù)機(jī)器人[8]；韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Kyeong SK 等研發(fā)的一款基于鏡像療法的穿戴式上肢外骨骼[9]。

1.1.3用于日常生活輔助活動(dòng)的可穿戴上肢外骨骼

《Design of a wearable upper-limb exoskeleton for activities assistance of daily living》[10]該文章介紹的可穿戴的上肢外骨骼，用于日常生活的活動(dòng)輔助。它為每只手臂提供5個(gè)自由度(DOF)，其中肩膀和肘部分別提供3自由度和2自由度。而且，佩戴者在佩戴該設(shè)備后仍能像往常一樣保持自由和移動(dòng)。

該外骨骼的獨(dú)特設(shè)計(jì)：

（1）設(shè)計(jì)為了克服外骨骼運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與重量的限制，引入了重力平衡方法來降低能量消耗；

(a)采用非零自由長(zhǎng)度彈簧的部分重力平衡系統(tǒng)。(b)采用非零自由度彈簧的全重力平衡系統(tǒng)。(c)鎖骨升高/降低伴部分重力平衡系統(tǒng)。(d)充分利用重力平衡系統(tǒng)進(jìn)行肩屈伸。

彈簧重力平衡系統(tǒng)的引入，不僅能夠減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，還能很好的平衡外骨骼本身的重量帶給使用者的影響。

（2）提出了一種新型的電纜驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，使其總重量降低到4.2 kg。

電纜驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行動(dòng)力傳輸，具有剛度大、效率高、無(wú)齒隙等優(yōu)點(diǎn)。該文中提出了一種新穎的電纜驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了零側(cè)隙的反向傳動(dòng)，克服了一般電纜驅(qū)動(dòng)單向運(yùn)動(dòng)的缺點(diǎn)。

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該電纜驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)，模擬人體轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。而且電纜驅(qū)動(dòng)接頭可作為第二級(jí)減速器，以降低電機(jī)減速齒輪的傳動(dòng)比。因此，它不僅減小了電機(jī)減速齒輪的體積，而且降低了其總重量。

1.2 下肢外骨骼機(jī)器人的發(fā)展情況

可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人所涵蓋的學(xué)科包括材料學(xué)、機(jī)器人學(xué)、生物力學(xué)、人體工程學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、仿生學(xué)等。其還涉及了傳感器技術(shù)、控制理論技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、信息處理分析技術(shù)、人工智能技術(shù)等高新技術(shù)，是一個(gè)多學(xué)科交叉的高精尖的技術(shù)產(chǎn)品?，F(xiàn)今，研究人員在不斷改進(jìn)有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)外骨骼裝備的性能的同時(shí)，也開始研究無(wú)動(dòng)力被動(dòng)外骨骼裝備以應(yīng)對(duì)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域所遇到的瓶頸。

1.2.1 有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)外骨骼新技術(shù)

在有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)與人體下肢關(guān)節(jié)對(duì)齊的方式設(shè)計(jì)，主要為人體行走提供支撐和動(dòng)力；柔性外骨骼，指采用柔性元件，例如鮑登線、布帶、氣動(dòng)肌肉等材料制成的外骨骼，其可以避免剛性外骨骼因?yàn)槿藱C(jī)交互而產(chǎn)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(tài)，應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域。

（1）剛性動(dòng)力驅(qū)動(dòng)外骨骼

2015年，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)金孝坤團(tuán)隊(duì)采用在下肢外骨骼機(jī)器人EXO（圖1.8）合適關(guān)節(jié)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(jī)器人自身質(zhì)量約為 35 kg，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，連接半主動(dòng)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)外骨骼的意圖。通過加入彈性和耗散元件，在 20 kg 的負(fù)載時(shí)，可使穿戴者受到的地面作用力減少 200 N[11]。但由于自身質(zhì)量過重，該外骨骼在無(wú)負(fù)載時(shí)反而會(huì)增加人體下肢受力，只適用于背負(fù)重物，使用范圍小。

?（2）柔性動(dòng)力驅(qū)動(dòng)外骨骼

?????2013年，哈佛大學(xué)的Wyss實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了基于鮑登線的多樞紐柔性下肢外骨骼原型樣機(jī)Exosuit（圖1.10）。該機(jī)器人采取新型的輕質(zhì)彈性紡織帶取代傳統(tǒng)的剛性布局，使穿戴者的下肢擺脫剛性質(zhì)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(zhì)量為 10 kg，且續(xù)航能力達(dá)到 4h。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以降低穿戴者6% 的生物代謝能量[14-15]。2016年，該實(shí)驗(yàn)室通過改變控制策略，搜集在行走時(shí)產(chǎn)生的負(fù)能量并且使之在特定的步態(tài)周期釋放，可為髖關(guān)節(jié)提供約為人體自然行走時(shí)產(chǎn)生力矩的30%，使生物代謝能最高降低至16%[16]。

?2019 年，西北機(jī)電工程研究所制作出一種穿戴式的柔性踝關(guān)節(jié)助力服（圖1.11）。該裝置參考了哈佛大學(xué)的柔性外骨骼設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)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(jī)、減速器、布帶和輪盤的結(jié)構(gòu)，將電機(jī)產(chǎn)生的力傳遞到踝關(guān)節(jié)，同時(shí)還能增加對(duì)其他腿部肌肉的輔助。通過實(shí)驗(yàn)，助力服可以提供的最大拉力為100 N，滿足對(duì)踝關(guān)節(jié)的助力目的[17]。

2020 年，北京航空航天大學(xué)研制出一種可實(shí)現(xiàn)跖屈和背屈雙向運(yùn)動(dòng)輔助的繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)外骨骼（圖1.12）。該外骨骼機(jī)器人使用一對(duì)單電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)兩側(cè)踝關(guān)節(jié)的跖屈和背屈雙向運(yùn)動(dòng)輔助。該外骨骼在鞋跟和腳趾前端設(shè)置4根電纜，設(shè)計(jì)了基于齒輪—滑輪組件的繩索力傳輸系統(tǒng)，可有效地將動(dòng)力從電機(jī)端傳遞至末端執(zhí)行器，以此可實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)跖屈和背屈。為了減少給穿戴者施加附加慣性力矩，研發(fā)者將電機(jī)、供能單元、控制單元安置在人體腰部附近，設(shè)計(jì)了基于足底壓力傳感器和慣性測(cè)量單元（IMU）的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，能有效識(shí)別穿戴者的步態(tài)周期和步行狀態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，受試者在佩戴該外骨骼時(shí)比目魚肌的活動(dòng)相比降低5. 2%[18]。

1.2.2 無(wú)動(dòng)力外骨骼設(shè)計(jì)

相比有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)外骨骼，無(wú)動(dòng)力外骨骼省去了外部動(dòng)力源，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊、質(zhì)量顯著減輕。

Spring Loaded Technology 公司于 2012 年開展了在膝關(guān)節(jié)處通過彈性元件進(jìn)行助力的項(xiàng)目。Levita?tion無(wú)動(dòng)力膝關(guān)節(jié)助力外骨骼（圖1.13）為該公司的研發(fā)成果。該無(wú)動(dòng)力膝關(guān)節(jié)的特點(diǎn)是采用液體彈簧替換傳統(tǒng)的剛性彈簧，使得外骨骼在膝關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的力矩能與穿戴者完美對(duì)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(chǔ)存能量。當(dāng)膝蓋彎曲時(shí)，外骨骼儲(chǔ)存能量；膝關(guān)節(jié)伸展時(shí)，外骨骼釋放能量，對(duì)人體進(jìn)行助力。該款外骨骼質(zhì)量?jī)H為 0. 9 kg。實(shí)驗(yàn)表明，該膝關(guān)節(jié)助力裝置能夠降低穿戴者的膝關(guān)節(jié) 64% 的負(fù)荷，同時(shí)增大穿戴者股四頭肌的轉(zhuǎn)矩、強(qiáng)度和力量。該裝置可應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)疾病患者、運(yùn)動(dòng)員、沉重體力勞動(dòng)者[19]。

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2015年，澳大利亞國(guó)防部發(fā)布OX新型無(wú)動(dòng)力柔性外骨骼系統(tǒng)（圖1.14），該外骨骼系統(tǒng)具有質(zhì)量小、輕便快捷的特點(diǎn)，總質(zhì)量只有 3kg。該外骨骼可利用從肩部到腳部的 2 條鮑登鋼纜實(shí)現(xiàn)負(fù)載的載荷傳遞，將背包負(fù)重轉(zhuǎn)移至地面。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該外骨骼可以節(jié)省人體50%的能耗。OX新型無(wú)動(dòng)力柔性外骨骼易于和穿戴者裝備集成，不使用時(shí)可簡(jiǎn)單拆卸并放入背包攜行，具有結(jié)構(gòu)小巧、持久耐用、成本低等特點(diǎn)[20]。

2 運(yùn)動(dòng)意圖采集技術(shù)

外骨骼機(jī)器人方便可穿戴的特性使得其變得熱門，同時(shí)也要求其本身要對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行識(shí)別判斷才能滿足人機(jī)一體化運(yùn)動(dòng)[21-22]。回顧外骨骼機(jī)器人信息采集技術(shù)發(fā)展歷程，從單一的力與唯一傳感器升級(jí)為角度傳感器結(jié)合的多傳感器以及肌電信號(hào)傳感器等，設(shè)備不斷升級(jí)換代，其相應(yīng)的識(shí)別技術(shù)也不斷發(fā)生著改變。傳感器的升級(jí)換代，其目的是為解決傳統(tǒng)的物理信號(hào)傳感器在應(yīng)用過程中存在的信號(hào)滯后的缺點(diǎn)，利用生物肌電信號(hào)的超前性特點(diǎn)提前預(yù)測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)意圖，實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人的人機(jī)交互實(shí)時(shí)性[23]。同時(shí)，分析表明生物電信號(hào)在外骨骼機(jī)器人上的廣泛應(yīng)用提升了信號(hào)的實(shí)時(shí)性，但生物電信號(hào)所包含的信息多樣化使得其在應(yīng)用過程中的準(zhǔn)確性無(wú)法滿足，需要配合使用傳統(tǒng)的物理信號(hào)傳感器來進(jìn)一步提升機(jī)器人本身的準(zhǔn)確性[23-24]。

2.1 運(yùn)動(dòng)意圖信息采集

運(yùn)動(dòng)意圖信息可以來自于人機(jī)交互的物理信號(hào)和人體的生物信號(hào)[25]。

其中物理信號(hào)的采集通常使用傳感器在外骨骼的足底和關(guān)節(jié)等處采集力與力矩信息，物理信號(hào)包括關(guān)節(jié)角度、角速度、人機(jī)交互力等[25-26]。其優(yōu)點(diǎn)是信噪比高，缺點(diǎn)是信號(hào)的產(chǎn)生滯后于人機(jī)交互運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性方面的不足。

可用于人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別的生物信號(hào)包括肌電信號(hào)（EMG）、眼電信號(hào)（EOG）、腦電信號(hào)（EEG）等[27]，運(yùn)用EMG、EOG、EEG等傳感器從周邊或中樞神經(jīng)系統(tǒng)讀取用戶的意圖。

2.2 肌電信號(hào)（EMG）

肌電信號(hào)作為非侵入性信號(hào)，其運(yùn)用更加成熟廣泛。隨著對(duì)肌電控制的研發(fā)探索，形成了3種肌電控制模式[18]：第一種是ON/OFF控制模式，EMG信號(hào)只能以單一速度控制執(zhí)行器的啟動(dòng)和停止。第二種是比例控制模式，力和速度可以根據(jù)肌電圖的大小按比例控制。第三種是模式識(shí)別技術(shù)，通過多通道sEMG中提取相關(guān)的特征值并輸入到不同分類器來區(qū)分不同運(yùn)動(dòng)，從而完成多自由度的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。

目前EMG信號(hào)主要通過sEMG（表面肌電）獲取，依靠貼在皮膚表面的柔性電極片實(shí)現(xiàn)，表面肌電信號(hào)約超前30～150ms[28-29]。相比于基于力傳感器的控制算法，sEMG信號(hào)采集方便，無(wú)需依賴機(jī)械結(jié)構(gòu)，可采集指定肌肉群的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，對(duì)指定肌肉進(jìn)行精準(zhǔn)采集。但sEMG信號(hào)存在幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)[20]：1)由于依靠貼在目標(biāo)肌群皮膚表面的柔性電極片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采集信號(hào)數(shù)據(jù)受到干擾大、隨機(jī)性高，需依靠濾波算法去除心電、工頻干擾等偽跡；2)每個(gè)電極片只能有限采集固定集群的數(shù)據(jù)，需依靠多個(gè)電極片實(shí)時(shí)同步采集才能獲取用戶的運(yùn)動(dòng)情況。

2.3 ?腦電信號(hào)（EEG）

腦電信號(hào)也是一種非侵入性生物信號(hào)，腦電是肌電發(fā)生的根源，大腦中的各種信號(hào)能夠更加切實(shí)地反映人類的意圖，具有更多的信息，但同時(shí)其解碼也更加困難[21]。EEG信號(hào)通過佩戴在頭部的干式或濕式電極獲取，腦電信號(hào)約超前500ms，其最大優(yōu)勢(shì)是數(shù)據(jù)來自于患者腦部神經(jīng)元間的活動(dòng)狀態(tài)，適用于下肢運(yùn)動(dòng)功能喪失等重度運(yùn)動(dòng)障礙患者，包括完全脊髓損傷患者。同樣對(duì)腦電信號(hào)的準(zhǔn)確獲取也存在一定的難度，檢測(cè)到的EEG數(shù)據(jù)是多模態(tài)腦活動(dòng)數(shù)據(jù)的融合[27][32]，受環(huán)境影響大，因此完全基于EEG信號(hào)的交互控制算法實(shí)現(xiàn)起來存在很大挑戰(zhàn)。

圖2.2 非入侵式采集腦電信號(hào)

腦電信號(hào)既有非侵入式EEG，也有半侵入式皮層腦電[33]（ECOG）以及侵入式微電極（IEEG），其信號(hào)采取的方式分別為腦皮質(zhì)電圖?(electrocorticography)和顱內(nèi)腦電圖(intracranial EEG)，是通過外科手術(shù)將電極放置在大腦表面，以更高的精度和更低的噪聲收集信號(hào)，可以更高頻，更準(zhǔn)確，更光滑的控制外部機(jī)械，并且可以完成復(fù)雜的多的動(dòng)作，但是侵入式腦電信號(hào)采集無(wú)法避免地會(huì)帶來一定的創(chuàng)傷性，普通用戶不可接受。

2.4 ?小結(jié)

綜上所述，雖然侵入式能夠高頻地獲取準(zhǔn)確腦電信號(hào)，但普通人難以接受，且更多處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，此外基于單一的信號(hào)獲取采集技術(shù)難以準(zhǔn)確反映客戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。隨著研究人員的不斷發(fā)展探索，人們對(duì)運(yùn)動(dòng)信息的檢測(cè)不僅僅來源于sEMG和EEG。2019年，新加坡國(guó)立大學(xué)（NUS）的一組研究人員研發(fā)了一種具有更加強(qiáng)大的人工神經(jīng)系統(tǒng)的皮膚——異步編碼電子皮膚（Asynchronous Coded Electronic Skin, ACES），這種ACES電子皮膚由物理傳感器構(gòu)成，是一種神經(jīng)模擬構(gòu)架，能快速精確傳遞觸覺信號(hào)。同時(shí)，文獻(xiàn)也提供了一種新型的柔性傳感器，該傳感器由2個(gè)具有微結(jié)構(gòu)的薄層構(gòu)成，能快速檢測(cè)出人感受不到的微小壓力，為交互傳感性能提供精確性。

3 智能控制原理分析

外骨骼是一種可以被穿戴的輔助設(shè)備，它根據(jù)穿戴者的下肢（大腿、小腿、腳）生長(zhǎng)特點(diǎn)，并且結(jié)合人工智能等技術(shù)增加正常人的負(fù)重能力。研究表明外骨骼可以幫助下肢截癱病人站立、行走、上下樓梯等，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)、負(fù)重搬運(yùn)、單兵作戰(zhàn)等領(lǐng)域。目前外骨骼主要有三種類型：用于步態(tài)康復(fù)的外骨骼，用于運(yùn)動(dòng)助行的外骨骼以及用于增加負(fù)重能力的外骨骼?；诓煌康暮妥饔脤?duì)象，外骨骼機(jī)器人通過采用不同控制策略，并利用信息采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)穿戴者運(yùn)動(dòng)信息及人機(jī)交互信息，以保證運(yùn)動(dòng)的正確性和穿戴者的適宜性。同時(shí)，通過對(duì)外骨骼進(jìn)行精確控制可以有效避免對(duì)患者造成二次傷害，因此開展外骨骼機(jī)人控制策略的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3.1 智能控制

智能控制是將力控制系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)，同時(shí)輸入力和位置信息，原理如圖3.1所示。常用的智能控制策略包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

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3.1.1模糊控制

模糊控制是通過對(duì)力和位置信息進(jìn)行綜合，最后輸出位置控制量的控制方法。模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡(jiǎn)稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的一大特點(diǎn)是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實(shí)際應(yīng)用背景。模糊控制的發(fā)展最初在西方遇到了較大的阻力；然而在東方尤其是日本，得到了迅速而廣泛的推廣應(yīng)用。

浙江大學(xué)楊燦軍[35-36]課題組采用自適應(yīng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)耦合智能算法，開發(fā)了一種幫助中風(fēng)偏癱患者康復(fù)的外骨骼機(jī)器人。電子科技大學(xué)[37]設(shè)計(jì)一款基于模糊 PID 控制和自適應(yīng)控制算法的軌跡跟蹤底層控制算法。韓國(guó)西江大學(xué)[38]設(shè)計(jì)一款下肢外骨骼機(jī)器人，采用了類似肌電信號(hào)的肌纖維膨脹信號(hào)，在信號(hào)融合和處理中，采用模糊控制算法，利用模糊隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。四川理工學(xué)院的陳磊[39]等提出了一種基于模糊遺傳算法的下肢康復(fù)機(jī)器人控制方法，建立了一個(gè)多輸入多輸出的模糊控制器，用一套模糊控制規(guī)則來控制外骨骼對(duì)不同患者行康復(fù)訓(xùn)練，并采用遺傳算法優(yōu)化模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)，增強(qiáng)了模糊控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的周海濤[40]等研發(fā)了一款下肢外骨骼機(jī)器人，該外骨骼采用自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制算法進(jìn)行軌跡跟蹤控制的患者被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練和模糊自適應(yīng)阻抗控制方法的患者主動(dòng)輔助步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。模糊控制具有不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，可直接將專家知識(shí)轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，可以較好地實(shí)時(shí)處理非線性復(fù)雜系統(tǒng)；并且可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自適應(yīng)控制，智能地修改控制參數(shù)。

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圖3.2 二維模糊控制器結(jié)構(gòu)

3.1.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的智能控制策略，結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，即基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或簡(jiǎn)稱神經(jīng)控制，是指在控制系統(tǒng)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一工具對(duì)難以精確描述的復(fù)雜的非線性對(duì)象進(jìn)行建模，或充當(dāng)控制器，或優(yōu)化計(jì)算，或進(jìn)行推理，或故障診斷等，亦即同時(shí)兼有上述某些功能的適應(yīng)組合，將這樣的系統(tǒng)統(tǒng)稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，將這種控制方式稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。

浙江大學(xué)楊燦軍教授等人提出了基于腳底壓力變化來判斷人體運(yùn)動(dòng)意圖的自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（adaptive-network-based fuzzy inference system, ANFIS）理論，開發(fā)設(shè)計(jì)了一款外骨骼機(jī)器人河北工業(yè)大學(xué)的張?jiān)篬41]等針對(duì)數(shù)學(xué)模型誤差對(duì)基于位置的阻抗控制的影響這一問題，采用 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償控制器消除了模型誤差的問題。LeeK[42] 等用于在線控制動(dòng)力下肢外骨骼的腦機(jī)交互系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)可以控制外骨骼前行、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的二進(jìn)制解碼器。郭曉波等針對(duì)患者在訓(xùn)練時(shí)肌肉痙攣對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提出了一種基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變參數(shù)控制方法，通過檢測(cè)訓(xùn)練中患者的力、速度、位置等的變化，采用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)調(diào)整從端控制參數(shù)，消除了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，有效地克服患者因肌肉痙攣帶來的干擾。河北工業(yè)大學(xué)的陳貴亮[43]等針對(duì)外骨骼機(jī)器人的靈敏度放大控制需要精確逆動(dòng)力學(xué)模型的問題，利用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得了外骨骼逆動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。證明了該方法可以為靈敏度放大控制提高保證。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以充分逼近任何復(fù)雜的非線性關(guān)系，能夠?qū)W習(xí)和實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不確定性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，是一種典型的智能化控制策略，但是在使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[44]的過程中，其隸屬度函數(shù)和各層的比重選取上沒有理論依據(jù)，常根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)選擇。

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圖 3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器結(jié)構(gòu)示意圖

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圖 3.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人尋找并抓取物體

3.2 小結(jié)

總體來看智能控制策略有效地彌補(bǔ)了各種單一控制策略的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自適應(yīng)性。隨著技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)產(chǎn)品要求的提高，運(yùn)用以往單一經(jīng)典控制理論不能較好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品要求，一些智能化控制策略更符合發(fā)展趨勢(shì)。

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4 總結(jié)與展望

外骨骼機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)輔助和康復(fù)應(yīng)用中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單的綜述。此外，還簡(jiǎn)要介紹了一些外骨骼機(jī)器人，介紹了一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路與方法。本文還簡(jiǎn)要的介紹了使用者的運(yùn)動(dòng)信息采集，以及外骨骼控制系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)。

總體而言，當(dāng)前外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)有以下方面：

（1）有動(dòng)力外骨骼技術(shù)

在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，有動(dòng)力外骨骼所采用的電機(jī)、液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)各有優(yōu)劣，電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，控制精度較高；液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)可以歸為一類驅(qū)動(dòng)，具有質(zhì)量輕、功率高和慣性小等優(yōu)點(diǎn)，但成本相對(duì)較高、控制精度差、噪聲大、密封性不佳。

在運(yùn)動(dòng)意圖與步態(tài)識(shí)別系統(tǒng)方面，有多種類型的技術(shù)被提出，包括生理電信號(hào)的信息檢測(cè)技術(shù)、關(guān)節(jié)角速度的信息感知技術(shù)、利用肌肉壓力電信號(hào)的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別技術(shù)以及地面反作用力或足底壓力信號(hào)感知技術(shù)等。這些技術(shù)與人體相關(guān)特性的聯(lián)系越來越緊密。

在控制策略方面，除了預(yù)編程、基于力信息控制和基于生物電信號(hào)等控制方法外，智能控制的提出進(jìn)一步提高了外骨骼機(jī)器人的控制精度和實(shí)時(shí)性，它不僅可以較好地處理復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，還能進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，是未來重要的技術(shù)發(fā)展方向。

（2）無(wú)動(dòng)力外骨骼技術(shù)

值得一提的是無(wú)動(dòng)力外骨骼作為一個(gè)新興領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，其研發(fā)過程涉及人體解剖學(xué)、仿生學(xué)、人體力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用等多個(gè)學(xué)科。無(wú)動(dòng)力外骨骼材料向輕型化、高強(qiáng)度、無(wú)損害等方向發(fā)展，例如碳纖維材料、尼龍、柵格優(yōu)化結(jié)構(gòu)材料等。

助力性能是無(wú)動(dòng)力外骨骼面臨的主要難題之一，助力元件的選擇既不能阻礙運(yùn)動(dòng)，也不能使助力過小，未來將無(wú)動(dòng)力外骨骼的材料學(xué)、仿生學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與有動(dòng)力外骨骼相結(jié)合可能是一個(gè)有前景的方向。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，外骨骼技術(shù)不斷成熟和發(fā)展，也仍有許多技術(shù)有待提高。未來的有動(dòng)力外骨骼技術(shù)應(yīng)注重提高續(xù)航能力和人機(jī)交互協(xié)調(diào)性，且可以將無(wú)動(dòng)力外骨骼和有動(dòng)力外骨骼的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，例如在無(wú)動(dòng)力外骨骼上搭載傳感器等設(shè)備以提高控制精度和協(xié)調(diào)性。

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