李 杨¹，李 仲²，管小荣²，徐 诚^2

(1.泰州学院船舶与机电工程学院，江苏 泰州225300)

(2.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京210094)

基金项目：江苏省高校自然科学基金面上项目(19KJD460007);泰州学院高层次人才科研启动基金资助项目(TZXY2017QDJJ015);江苏省本科创新训练计划项目(201912917001Z)

作者简介：李杨(1990—)，男，讲师，博士，主要从事人体外骨骼、机械电子等研究，562339471@qq.com.

摘要：以助力型人体下肢外骨骼为主，对近些年四大组成系统——外骨骼控制系统、驱动系统、机械系统、感知系统的研究成果进行分类总结与分析。通过研究分析获得了较为适用于助力型人体下肢外骨骼的结构尺寸、结构自由度、驱动器选择方案、控制策略及传感器选择方案等成果，能够为外骨骼的研究者提供参考。

关键词：人体下肢外骨骼；助力；控制系统；驱动系统；机械系统；感知系统；人机协调

中图分类号：TJ23   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)06-0031-08

从20世纪60年代起，世界范围内就有多个研究机构开始研究人体外骨骼系统。人体外骨骼系统的发展主要有两个分支：一种是用于辅助残疾人行走的医疗型人体外骨骼^［1-2］，此种人体外骨骼的研制相对而言较为简单，也取得了较多成果；另一种是用于增强正常人体负荷能力的助力型人体外骨骼，主要用于军事领域，目前正处在研究发展阶段，其样机离实际应用还存在较大差距，本文主要侧重于此种外骨骼的讨论。

随着军事技术的革新，单兵作为战争的主体，其携行需求越来越多。然而，士兵的负重能力有限，这严重制约了士兵的携行能力及机动能力^［3］。20世纪60年代，美国通用电气公司就推出了哈迪曼（Hardiman） 穿戴式助力外骨骼样机^［4］。但是受限于当时比较落后的科学技术，制造出来的外骨骼样机各方面性能都难以达到要求。在美国军方的支持下，1978年麻省理工学院（MIT）开始了助力型外骨骼的改进工作。美国五角大楼在2000年发出了单兵助力外骨骼的研制计划书，加州大学伯克利分校机器人和人体工程实验室、萨克斯公司等多家机构都开启了助力外骨骼的研究工作^［5-7］。加州大学伯克利分校于2004年推出了其第一代助力外骨骼样机BLEEX^［6-7］。随后， Kazerooni带领的团队^［8-10］ 又相继开发了第二代助力外骨骼（ExoHiker和ExoClimber）和第三代助力外骨骼（HULC）。美国雷神（Raython)公司旗下的SARCOS公司也已经开发了两代XOS系列助力外骨骼样机，旨在提高士兵的负重行军速度，并且能够进行较方便地穿脱^［11］。2011年，法国在国际军警保安器材展上展出了助力外骨骼HERCULE^［12］。日本在助老和助残外骨骼方面的研究占据领先地位，日本筑波大学研发的HAL系列外骨骼样机已经于2017年12月17日获得美国食品和药物监督管理局批准^［13-14］。新加坡南洋理工大学（NTU）Low教授等^［15］开发了基于ZMP稳定判据的人体下肢助力外骨骼LEE（lower extremity exoskeleton）。较为人所熟知的，是在2014年巴西世界杯由巴西南里奥格兰德联邦大学展示的使用脑电波控制的外骨骼样机^［16］。虽然国外在医疗外骨骼方面取得了较多成果，但助力外骨骼的研究则相对停滞，进展缓慢。

与国外类似，国内进行的助老和助残方面的医疗型人体外骨骼系统研究较为成熟，而助力型人体外骨骼方面的研究则进展仍然缓慢。2015年之前，中科院合肥智能机械研究所的余永、葛运建团队开发了电机驱动和电缸驱动两种外骨骼样机，并进行了外骨骼的信息采集及步态分析等研究^［14］。浙江大学的陈鹰、杨灿军团队主要进行了医疗康复方面外骨骼的研究和开发^［17］。海军航空工程学院的杨智勇、杨秀霞等^［18-19］也对助力外骨骼进行了系统研究，并开发了多种驱动方式、多种控制方案的样机。哈尔滨工业大学的朱延河等^［20］开发的助力外骨骼其每条腿具有6个自由度，可以实现对其中的膝关节自由度、髋关节屈伸自由度及髋关节内收外展自由度共3个自由度进行驱动。此外，上海交通大学^［21］、南京理工大学^［22-23］等高校都进行了一定的外骨骼理论及实验方面的研究。2015年之后，助力型外骨骼系统得到了军方的重大关注，于2015年举办了穿戴式外骨骼助力装备挑战赛。中国兵器装备集团研究所^［24-25］、总后军需装备研究所、哈尔滨工业大学^［20］、海军航空工程学院^［26］等国内多家研究机构研制的15套外骨骼助力装置样机参与比赛。由比赛过程来看，绝大部分外骨骼样机的最大问题都出在人体与外骨骼的协调性上。而取得较好成绩的中国兵器装备集团研究所及海军航空工程学院研制的样机只对外骨骼的膝关节进行了驱动，因而能够大大降低控制难度，取得了相对较好的人机协调性，但可想而知由于驱动关节较少导致其助力效果并不优越。总体而言，国内的助力型外骨骼装置研究已经取得一定成果，并研制出了不少的外骨骼样机，但是国内的助力型外骨骼样机离实用还有较大距离。

1外骨骼系统总体分析

与人体的骨骼、肌肉、大脑、神经相对应，助力型人体外骨骼系统包括机械系统、驱动系统、控制系统、感知系统,如图1所示。控制系统与人大脑的作用类似，负责信息处理和控制命令的发出；驱动系统与人体的肌肉类似，负责控制命令的执行；机械系统与人体骨骼类似，负责载荷的承载和传递；感知系统与人体神经类似，负责信息的采集与感知。4个分系统协调动作，在人体负重前行时，外骨骼能够及时向穿戴者提供助力，降低能量消耗^［22］。