外骨骼机器人研究发展综.docx

外骨骼机器人研究发展综述 李罗川 摘要 外骨骼机器人又称可穿戴机器人，是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的机器人。外骨骼机器人融合了传感、控制、驱动、信息融合、移动计算等综合技术为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构。本文介绍了外骨骼机器人的发展历史以及国内外研究现状，对外骨骼机器人的关键技术：机械结构设计，驱动单元，控制策略进行了研究，分析了其技术难点最后对其发展前景进行了说明。 关键词：外骨骼机器人 关键技术 目录 引言 4 1. 发展历史及现状 5 1.1国外发展历史现状 5 1.2国内发展历史现状 8 2. 关键技术分析 10 2.1外骨骼机器人的结构设计 10 2.2外骨骼机器人驱动单元 11 2.3外骨骼机器人的控制策略 11 3.外骨骼机器人技术难点分析 14 4.前景展望 16 4.1 外骨骼机器人的研究方向 16 4.2 外骨骼机器人技术的应用 16 引言 现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运沉重的负载等。虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力。与此同时，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完成的任务不受人的智能的约束，而仅受人的体能的限制。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是外骨骼机器人的设计思想。外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、控制、驱动、信息融合等机器人技术，使得外骨骼能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。本文通过介绍外骨骼机器人的发展历史及研究现状进一步分析了外骨骼机器人的关键技术，并对其技术难点以及发展前景作了说明，以期在全面认识外骨骼机器人基础上对其开展进一步深入研究。 1. 发展历史及现状 1.1国外发展历史现状 外骨骼系统的最早研究始于20世纪60年代。1962年，美国空军就要求康奈尔航空实验室进行一项采用主从控制方式的人力放大器系统的可行性研究。从1960年到1971年，美国通用电器公司开始研发一种基于主从控制 的外骨骼原型机，名字叫做“Hardiman”，如图1所示。 Hardiman采用电机驱动方式，可以像举起10磅那样来举起250磅的重物。但是，由于技术的限制，导致Hardiman的体积和重量过大，无法进行实际应用，慢慢停止了发展。同时期进行外骨骼研究的还有贝尔格莱德大学的Vukobratovic等人，他们的研究主要用于辅助下肢瘫痪患者进行运动康复。尽管只实现了部分运动形式，但是研究过程中得到的平衡算法在双足步行机器人中得到了广泛应用。 随后尽管人体外骨骼机器人经历过一段时间的沉寂，但到20世纪末，由于传感技术、材料技术和控制技术等技术的发展和各种军事、民用需求的凸显使得人体外骨骼机器人再次进入了蓬勃发展阶段，美国、日本和俄罗斯等国均针对人体外骨骼机器人开展了大量的研究工作。 2000年，美国国防高级研究计划局 (DARPA)在出资五千万美元用于资助对能够增强人体机能的外骨骼(EHPA )的研究与开发， 研制一种穿戴式的， 具有自适应能力的外骨骼系统，使士兵在穿着外骨骼后，行军能力大大提高。DARPA的该项目资助了多家研究机构，主要有加利福尼亚大学伯克利分校机器人和人体工程实验室、Oak Ridge国家实验室、盐湖城人体机能研究所、“千年喷气机”公司、SARCOS公司等。其中伯克利分校、SARCOS公司和麻省理工学院展示了实验样机，其他单位则在传感驱动人机界面生物力学人因测试等方面进行了分析与实验。 图2 伯克利的BLEEX 2 0 0 4年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼机器人BLEEX是DARPA项目的第一台带移动电源和能够负重的下肢外骨骼机器人。如图2所示 BLEEX由一个用于负重的背包式外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源， 以全面增强人体机能。BLEEX 的每条腿具有7个自由度 (髋关节3个， 膝关节1个， 踝关节3个)，在该装置中总共有40多个传感器以及液压驱动器，它们组成了一个类似人类神经系统的局域网。BLEEX的负重量能达到75kg， 并以0.9m / s的速度行走，在没有负重 的情况下，能以1.3m / s的速度行走。然而BLEEX由于结构复杂能量消耗大操作者长时间使用很不舒服因此未获得ＤＡＲＰＡ第二阶段的资助。BLEEX虽然未获得进一步的资助但是Kazerooni教授和他的学生成立了伯克利仿生公司争取吸引风险投资并对骨骼服技术进行市场化运作设计开发了更加轻便简洁实用的HULC（human universal load carrier）如图３所示 ： 图3 洛克希德马丁公司的HULC HULC被著名的武器承包商洛克希德－马丁公司收购。HULC质量为24kg（不含电池）两块电池质量为3.6kg。士兵穿戴上HULC之后能够额外负重91kg，是BLEEX系统负重能力的3倍。电池可供以５km/h的速度连续行走3h。速度峰值可达到16km/h。可以说HULC是最接近实战应用的一款骨骼服。目前正在进行进一步的集成开发同时进行部队的演示验证实验。 图4雷神公司的XOS-2 雷神公司在收购了参与EHPA项目的SARCOS公司后，也推出了其研制的第一代全身型人体外骨骼机器人XOS。XOS能够在背负68 kg且手持23kg的负荷时以1.6 m /s的速度行进，并可实现弯腰下蹲和跪地等动作。2010年第二代XOS机器人问世，如图4所示。 第二代XOS人体外骨骼机器人的能耗较第一代降低了一半，而且较第一代具有更强的负重能力，系统的灵敏度和响应速度进一步提升。但其缺陷在于能量消耗依旧较大，至今仍依赖地面供电。 总之美国的骨骼服以军事应用为背景资助力度大资助范围广对骨骼服各个方面的研究最为深入呈现百花齐放的状态，研究水平居世界前列。 图 5筑波大学的HAL-5 日本是当仁不让的机器人技术强国，但是骨骼服的军事意义相当明显，因此日本主要从骨骼服的民事应用入手在助残护理劳动等应用领域对骨骼服展开了广泛的研究，成绩显著。日本筑波大学于2004年推出了世界上第一款商业人体外骨骼机器人(HAL)，当前已发展到第五代助力机器人HAL-5，如图5所示。 HAL-5是一种全身型助力机器人，其特点在于通过遍布全身的肌电传感器实现对人体运动信息的采集，并通过电机实现对各关节的助力。HAL-5重约15kg，其能源供给装置小巧，使用时间长，但是由于使用了肌电传感器导致其穿戴复杂，且易受干扰，目前仅用于民用领域。 除此之外，日本神奈川理工学院研制的采用气压驱动的动力辅助服和本田公司采用非拟人设计的助力机械腿也已经进入样机制造阶段。 国外其他国家的人体外骨骼机器人研究：俄罗斯目前研制出了一款战士-21 的单兵作战服，其能够让士兵携带重物飞奔，且能够在电力耗尽时迅速脱下； 法国防务公司与法国武器装备总署联合研制了名为 “大力神”的协同可穿戴式外骨骼机构，旨在使穿戴者能够轻松携带100 kg重物，其电池可使穿戴者以4 km /h的速度行进大约20 km。同时，韩国、意大利及新加坡等国家也有相关方面的研究，但由于均没有进行公开演示，故相关资料较少。 1.2国内发展历史现状 目前国内开展人体外骨骼机器人研究的主要有浙江大学、中国科技大学、华东理工大学及中国北方车辆研究所等大学和研究所。浙江大学主要进行人机耦合的层次式控制框架的研究，并设计完成了一种基于气动的外骨骼机器人样机。中国科技大学在人体外骨骼机器人的姿态感知及控制方法方面展开了大量研究，在相关姿态传感器方面获得了不少成果。华东理工大学也在做相关方面的研究，已完成了一套液压驱动的实物样机。中国北方车辆研究所在人体外骨骼机器人的计算机虚拟建模及仿真方面做了深入研究，并在行走助力机器人用小型液压缸设计等方面有所突破。 此外还有很多机构也展开了相关研究，如： 海军航空工程学院对基于电机驱动的人体外骨骼机器人进行了研究； 北京工业大学在助力机器人机构设计方面进行了一定研究。 总体来看，由于国内在人体外骨骼机器人研究方面起步较晚，大多处于理论研究阶段。 同时由于资金支持力度较小，所设计的实物样机也均略显粗糙。 2. 关键技术分析 外骨骼机器人从功能上看可分为以下几个子系统：机器人机械结构、动力输出及执行系统、姿态感知系统和控制系统。根据美国和日本对人体外骨骼机器人的研究成果，并结合在进行外骨骼机器人各系统设计过程中的经验教训，探讨外骨骼机器人各系统的一些关键技术。 2.1外骨骼机器人的结构设计 外骨骼要求良好的穿戴性和操作舒适性，这对外骨骼的机械系统设计提出了具体的要求。 首先，外骨骼的设计必须在充分体现仿生学和人体工程学的基础上，尽量采用拟人化的设计手段。这一点不仅应该体现在具体的结构设计上，而且还要体现在目标功能的实现上。一 方面，外骨骼的结构应该尽可能的模拟真实的人体下肢，特别是在各个关节的布置和自由度的分配上；另一方面，外骨骼上驱动元件的布置也要参考人体下肢内主要的代表性肌肉的分布，从而模拟人体行走过程中这些肌肉的相应功能。同时，驱动元件和传感器件的数量也要尽可能少，以达到增加系统鲁棒性和降低系统成本的目的。只有在满足这些条件的前提下，所设计的目标外骨骼才有可能和操作者协调运动且保证两者之间的相互干涉最小。 其次，外骨骼的机械结构应该具有长度可调节性，即身材兼容性。由于不同的人的身材不同，即有高矮胖瘦之差，相应的，其下肢的几何尺寸也不尽相同，所以，所设计的机械下肢的尺寸应该允许在一定范围内可以进行调节，从而可以满足大多数人的使用要求，使其适用面更广。 再次，外骨骼应该具有坚固、耐用、轻巧、便携的特点。外骨骼在使用过程中，其机械结构不仅要能承受背在载物架上的各种负载的重量，还要能够承受在行走过程中来自地面的冲击力，所以应该首先确保结构的刚度。除此之外，由于本项目的最终目标是建立“自给式”的步行外骨骼，即外骨骼除了需要携带各种常规的仪器和工具之外，还需要随身携带其自身必须的能量供给系统和控制系统，所以外骨骼的本体结构要尽可能的轻，这样不仅可以提高其携带有效载荷的能力，而且可以提高外骨骼的易操作性。 外骨骼机构的另一项重点便是其安全性问题，作为和身体密切接触的机械结构 ，必须以不对人体造成威胁为前提。外骨骼可能出现的安全问题是外骨骼和人肢体运动方向出现分歧。所以在连杆设计的时候必须考虑关节转动限位。 2.2外骨骼机器人驱动单元 外骨骼机器人的驱动系统和驱动器必须质量轻体积小，并且能提供足够大的驱动力矩或扭矩，同时要具有良好的散热性能。当前国际上的外骨骼设备常用的驱动系统主要有电动机驱动系统气压驱动系统液压驱动系统3种。目前日本的HAL机器人采用电机驱动方案，美国的HULC以及XOS-2机器人采用液压驱动方案，日本神奈川工科大学成功研制的全身型外骨骼机器人（power assist suit，PAS）采用的气压传动装置可将使用者的力量增加0.5~ l.0倍。三者各有优缺点。 电机驱动方案的控制模式简单、直接，控制精度较高，响应快，维护和使用方便，驱动效率高，不污染环境等诸多优点。但能输出较大扭矩的电机体积却较大，不宜布置，影响系统的灵活性；液压驱动方式虽然具有可控性强、传动平稳、驱动力矩大等特点，适用于高速重载的搬运和零件加工机器人。但是在控制响应速度和精度上有先天的不足，且成本高、结构复杂、能量使用率低、密封困难等问题；气压驱动容易达到高速、介质无污染、使用安全、工作压力低，制造要求比液压元件低、管理维护比较容易，但是气动装置的信号传递速度较慢，其稳定性较差，难以控制，噪声较大。 2.3外骨骼机器人的控制策略 外骨骼机器人和其他机器人的最