外骨骼助力机器人研究现状与关键技术分析

周加永，莫新民，张 昂，孟小净，赵 浩，纪平鑫

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)



【信息科学与控制工程】

外骨骼助力机器人研究现状与关键技术分析

周加永，莫新民，张 昂，孟小净，赵 浩，纪平鑫

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

根据研究工作积累和查阅相关文献资料，对外骨骼助力机器人国内外的研究现状进行了总结，对外骨骼助力机器人所涉及的机械结构技术、驱动技术、传感控制技术、能源技术以及安全性技术等关键技术进行了分析，并对外骨骼助力机器人在军事领域、医疗领域和工业领域的应用前景进行了展望。

外骨骼；助力机器人；关键技术

外骨骼助力机器人是模仿生物界外骨骼而提出的一种新型机电一体化装置，结合传感、控制、信息融合、移动计算等机器人技术，在为穿戴者提供诸如保护、身体支撑等功能的基础上，还能够在穿戴者的控制下完成一定的功能和任务。外骨骼助力机器人作为仿生装备的一种，与无人机、3D打印战机以及新概念武器等被评为2016年最具发展潜力的十大武器装备前沿技术。美国、日本、俄罗斯和法国等国对科研院所和高校外骨骼助力机器人的研制进行了资助，通过几年的潜心研制，均取得了不错的成绩，具有代表性的是美国的HULC，日本的HAL，俄罗斯的“勇士-21”和法国的“大力神”[1]。我国外骨骼助力机器人的研制起步较晚，各研究机构在参考借鉴国外先进外骨骼助力机器人的基础上，通过自身的创新与研发，已有不少外骨骼助力机器人样机问世，实验效果不错。

外骨骼助力机器人的发展和相关关键技术的发展密不可分，微驱动技术、材料科学、能源技术以及信息技术等技术的发展，推动了外骨骼助力机器人的发展。

1 外骨骼助力机器人国内外研究现状

随着传感控制技术、新型材料以及新型制造等技术的发展，外骨骼助力机器人也取得了很快的发展。欧美等国家一方面优化改进原有外骨骼助力机器人，另一方面又研制了其他新型外骨骼助力机器人，其中欧美等国家主要进行军用外骨骼助力机器人的研制。通过近几年的不懈努力，我国在外骨骼助力机器人的研制中也取得了不错的成绩。

1.1 国外研究现状

美国于上世纪60年代开始进行外骨骼助力机器人的研制，1965年美国军方和通用公司联合研发了一个名为哈迪曼的外骨骼装置，但是哈迪曼的重量过大，达到了680 kg，穿戴者穿上后根本无法移动，最终项目被搁浅[2]。

2004年，加州大学伯克利分校研制出伯克利下肢外骨骼系统BLEEX，如图1所示。BLEEX外骨骼助力机器人能够提高美军的负重能力、机动性与越野能力。BLEEX 外骨骼的整体质量约为45 kg，穿戴者身着此装备，即使在负重35 kg的情况下，仍然可以活动自如[3]。

2004年，伯克利仿生科技公司设计开发了一款名为ExoClimber的下肢外骨骼系统，如图2所示[4]。ExoClimber自重约30 kg，最大承载90 kg。2005年底，美国特种作战司令部用ExoClimber在科罗拉多州博尔德的烙铁峰(在0.5 km范围海拔上升300 m)进行了试验，通过ExoClimber协助，特种兵背负90 kg负重轻松登上了原来根本不能想象能登上的烙铁峰。

图1 BLEEX外骨骼助力机器人

图2 ExoClimber外骨骼助力机器人

2006年，Sarcos公司研制成功了XOS全身外骨骼，XOS外骨骼系统能将人的力量增大6倍，同时具有非常高的动作灵敏度。2007年，美国军火巨头雷神公司收购了Sarcos公司，并于2010年研发出了XOS-2动力外骨骼系统，如图3所示。XOS-2重量轻了10%，能耗降低了50%，力增比达到了惊人的17:1，性能的全面增长使之深得美国军方认可[5]。

2012年，洛克希德·马丁公司研制成功了外骨骼HULC，如图4所示。美国陆军在2012年9月接收洛克希德·马丁公司的人体负重外骨骼HULC，用于评估测试。后期洛克希德·马丁公司又陆续对外骨骼HULC进行了改进，改进型的外骨骼HULC并没有对外公布，不过到目前为止外骨骼HULC是技术最先进、性能最好的军用外骨骼助力机器人[6]。

2013年，美国Revision Military公司研发成功了一款新型外骨骼，被称为“徘徊者”(Prowler)的下肢外骨骼系统，如图5所示。该外骨骼系统还装备了护甲防御子弹和弹片，它还为穿戴者提供降温系统、一组监控其生理指标的传感器，以及超人般的力量[7]。

图3 XOS2外骨骼助力机器人

图4 HULC外骨骼助力机器人

2014年，哈佛大学的生物工程研究所研发了一款款名叫Soft Exosuit的外骨骼机械服装，如图6所示。这款外骨骼机器衣，主要包裹在士兵的腰部和大腿周围，机器衣的主要材料是纺织物，大量的微处理器、传感器以及随身电源，都将植入到外骨骼机器衣中。机器衣配置了微型电动机，可以给士兵提供额外的力量和运动能力。

图5 Prowler外骨骼助力机器人

图6 Soft Exosuit外骨骼助力机器人

俄罗斯与2009年提出要在2015年前开发出“勇士-21”可穿戴式外骨骼机械作战服，但是2015年已然逝去并没有达到预期的目的。不过俄罗斯在2013年研发出了一种新型外骨骼，如图7所示，最高负载100 kg。有了这款外骨骼，盾牌组合反恐战力会有很大提升。2015年中旬，俄罗斯科研单位正加快研制新一代外骨骼单兵装甲作战服，这种新型装置不仅可以选择由大脑波进行控制，同时也能大大节省配戴人员的体力、耐力以及提高作战效率，有效物资携带重量可达300 kg。

2011 年，法国某防务公司与法国武器装备总署公布了其联合研制的可穿戴式外骨骼，并命名为“大力神”(HERCULE)。法国最新曝光其研制的“大力士”外骨骼战斗服，如图8所示，该战斗服可以让士兵轻而易举提起100 kg的重量[8]。

2015年6月ReWalk[9]的外骨骼产品(如图9所示)通过了美国药物与食品管理局(FDA)的审批，这是迄今唯一一款也是首款获得FDA批准的外骨骼产品。ReWalk技术采用了体感芯片，捕捉患者的肢体动作，帮助行走。通过电池驱动关节部位的电机，组成电动腿部结构，在行走过程中可以感应患者重心的变化，模仿自然行走的步态，并能根据实际情况控制步行速度，患者还能自行完成安装和拆卸。

图7 俄罗斯外骨骼助力机器人

图8 HERCULE外骨骼助力机器人

通过近10年的研发，HAL辅助义肢已被开发至第5代，如图10所示，重量也由25 kg缩减到10 kg，进一步满足常人的承受力[10]。通过感测体表的一些生物信息，例如肌肉的运动还有神经电流的改变，HAL可以模拟穿戴者的动作。并且在平行的方向上增强穿戴者的力量和耐久。目前HAL已于2014年在本国小规模上市，被认为是最成熟的民用外骨骼系统。

图9 ReWalk外骨骼助力机器人

图10 HAL外骨骼助力机器人

Ekso Bionics 的研究人员正在测试一款为建筑和工业领域的工人而设计制造的仿生学外骨骼，如图11所示，这款外骨骼使得普通人能够拥有真正的“超级力量”。该套件完全是机械结构，无需任何电池。

Lockheed Martin 公司正在研发下一代轻量级、不插电外骨骼，用来提升士兵的力量、持久力和灵活性，此前美国海军在去年率先将两台 FORTIS 外骨骼用于其造船厂。这款取名为FORTIS的外骨骼(如图11所示)可以通过机器装置将人体负重转移到地面， 帮助站立和半跪状态的用户减轻负担，举重若轻地使用重型工具。

1.2 国内研究现状

2004年起海军航空工程学院开展了的外骨骼研究,如图13所示为其研制的第三代外骨骼助力机器人。动力驱动通过直流伺服电机、谐波减速机、柔性拉索实现助力功能，该装备以电池为能量来源，通过安置于足底的压力传感器收集步态信息，然后通过微处理器发出信息驱动电动机输出动力，从而实现穿戴者的负重行走[11]。

图11 Ekso Bionics外骨骼助力机器人

图12 FORTIS外骨骼助力机器人

2013年，由南京军区总医院博士后工作站研发的首部外骨骼装置正式亮相，被定义为“单兵负重辅助系统” (如图13所示)，面向军用领域、专注于压缩负重，并能够快速同步穿戴者的动作，但其功能相对单一，且负重能力以及设计结构仍有待提升。

图13 海航外骨骼助力机器人

图14 南京军区总医院外骨骼助力机器人

2014年，由中科院常州先进所设计研发了EXOP-1外骨骼系统，该系统由航空铝打造，它配备了22个传感器、 6个驱动器和1个控制器，造价在30万元左右。EXOP-1能够减轻穿戴者的负重，但它的体积相对笨重，难以在短期内投入使用。

2014年7月，经过近两年的研发，中国科学院深圳先进技术研究院下肢外骨骼助力机器人项目取得新突破，日前成功实现截瘫病人穿戴机器人站立行走，向产业化应用迈出关键一步，如图16所示。

2014年11月珠海航展上，北京中航双兴科技有限公司展出了最新研制的一款外骨骼助力机器人，如图17所示。该外骨骼助力机器人充满电后背负50 kg负重，行走2个小时，步行速度1 m/s，动力为电动机。

图15 常州先进所外骨骼助力机器人

图16 深圳先进院外骨骼助力机器人

2015年7月，由兵器集团202所研制的国产单兵外骨骼亮相中国军民融合技术装备博览外骨骼系统可加装辅助装置，额定负荷平均平地步速为4.5 km/h，平地行走续航里程为20 km。该新型外骨骼若装备部队，可提高高原部队的单兵负重量，提升单兵侦查能力，可执行高原单兵巡逻、山地单兵巡逻、跨越障碍等任务。

图17 中航双兴外骨骼助力机器人

图18 兵器202所外骨骼助力机器人

电子科技大学程洪带领的研发团队，在“外骨骼助力机器人”研发上历经5年的艰苦探索，从1.0版到3.1版本的艰难研发过程。2015年9月12日在残运会开幕式上瘫痪小伙林寒在一款红色外骨骼助力机器人的帮助下，完成了残运会生活的传递，该款红色的外骨骼(如图19所示)是由电子科技大学研制的3.1版本。

2016年4月18日，合肥研究院先进制造技术研究所可穿戴外骨骼助力机器人“钢铁战士”(如图20所示)，亮相扬州“科洽会”，这是具有助力、助残功能的特种机器人。机器人由航空铝打造，基于EtherCAT总线技术设计了全新的控制系统，结合多传感器的信息融合，使稳定性得到了很大提高。

2 外骨骼助力机器人关键技术研究

从国内外各科研机构的研究成果和技术现状可以看出，动力外骨骼助力机器人涵盖了机械、液压、传感、控制等多个领域，对外骨骼助力机器人的研究既有广度也有深度，需要综合分析，将总体技术分解为若干子技术，同步开展研究。

图19 电子科大外骨骼助力机器人

图20 合肥研究院先进所外骨骼助力机器人

2.1 机械结构技术研究

机械结构是外骨骼助力机器人的基本骨架，主要包括搬运装置、上背架、机械骨架等结构，一方面为穿戴者提供支撑进行助力，另一方面为驱动系统、控制系统和传感系统等提供安装位置。机械结构的设计是整个外骨骼系统设计的起始点和终结点，所以要认真对待。在进行设计外骨骼机械结构设计时要考虑到以下几点：

1) 便于控制与驱动

外骨骼助力机器人的机械结构在设计中采用仿人形结构，为了便于控制和驱动，对髋关节、膝关节和踝关节处的自由度进行合理的减少。外骨骼助力机器人的最主要功能是能跟随人体行走，这个动作主要是在矢状面上完成的，应该首先满足矢状面上自由度的匹配。膝关节的屈/伸自由度、踝关节的屈/伸自由度、内转/外翻和外展/内收自由度相对来说比较容易实现，最关键的应该是髋关节屈/伸自由度、外展/内收自由度和内旋/外旋自由度三个自由度的配置。

2) 易于调节

由于人体尺寸千差万别，所设计的外骨骼助力机器人适合不同的人穿戴。在小腿与踝关节连杆和大腿与髋关节连杆处添加长度调节装置，以此来调节外骨骼助力机器人的高度，适合不同高度的人穿戴。腰部要设计成可调节宽度的结构，可以通过连接销安装孔调节腰部宽度，适合不同宽度的人穿戴。

3) 安全可靠

在每个自由度都设计了可调节的机械限位，总的原则是使外骨骼的运动范围略小于或等于人体关节的运动范围，以保证人机交互过程中人的安全。

4) 穿戴舒适

外骨骼要具有穿戴舒适性，设计中需要考虑外骨骼的机械结构与使用者的贴合度、运动自由度的分配及冗余自由度的选择等因素。外骨骼机械结构自由度的选择与设计以能够满足穿戴者的基本行动，不与穿戴者发生干涉为前提。在设计时要保证外骨骼助力机器人的关节转动中心和人体关节的转动中心在冠状面的一条直线上，对外骨骼的踝关节与髋关节进行计算分析，确定腰带长度、大腿绑带的位置和踝关节在冠状面内的长度和布置位置的具体数值。这些数值的给出，保证人机交互过程中穿戴者安全同时，还考虑了穿戴的舒适性。所有与人体接触部位都要采用柔性接触设计。

5) 便于携带

外骨骼助力机器人的设计尺寸要尽可能小，在无动力情况下，膝关节折叠以后，在髋关节处向背架方向可折叠，便于打包和携带。

2.2 驱动技术研究

外骨骼助力机器人的驱动系统必须质量轻、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助力机器人最主要的的驱动系统主要为液压驱动系统和电动机驱动系统。

1) 液压驱动

采用液压驱动方式能够增强外骨骼助力机器人的承载能力，具有缓冲功能，易于实现小型化，因此液压驱动型外骨骼助力机器人更适于物资装备的背负和搬运。但是液压驱动具有不可忽略的缺点，工作噪声较大，效率低，容易泄露等，因此在进行液压驱动系统设计时要充分发挥其优点，减小其自身缺点的影响。在保证执行元件能够满足机构使用要求的情况下，尽量减少执行元件和控制阀的数量。在可能的情况下优化控制阀的结构设计，以期从液压元件本身和数量上减少对液压系统能源的消耗，从而达到系统减重、降耗的目的。美国洛克希德马丁的HULC，哈弗大学的Soft Exosuit，雷神公司的XOS2和我国北京理工大学、兵器202所和航天206所等采用了液压驱动系统。

2) 电动机驱动

现在的电机技术比较成熟，结构简单便于控制，但是其动态平衡性不好，负重能力有限，更适合应用于民用领域和工业领域。但如果实现较大动力的驱动，则需选取电机的体积也可能会较大，这样对机构的轻巧、灵活性带来一定的问题。日本HAL，以色列Rewalk和法国的“大力士”等外骨骼助力机器人，我国的中航双兴科技有限公司，兵器208所和电子科技大学等外骨骼采用了电动机驱动技术。

2.3 传感及控制技术研究

外骨骼助力机器人的传感器就像人的神经系统，通过传感器能够实时在线检测穿戴者的姿态、各关节处的角速度和力矩，并反馈给控制系统进行控制。在外骨骼助力机器人系统中需要用到的传感器有编码器，力/力矩传感器、加速度传感器。力传感器用于测量关节驱动器的推力/拉力，穿戴者的前脚掌和足跟对鞋底的压力；加速度传感器用于监测各个腿杆的加速度和位姿；编码器用于监测各个关节的转角。通过这些传感器实时监测外骨骼在运动过程中的参数，可实现对外骨骼运动的全状态观测。

可以应用到外骨骼助力机器人上的控制方法有操作者控制、肌电控制、预编程控制、主从控制、直接力反馈控制、地面反作用力控制、ZMP 控制、灵敏度放大控制等，不论应用哪种控制策略，都要实现人机耦合一体化，实现对外骨骼助力机器人的智能控制。同时，所设计选用的智能控制系统必须具备极强的抵抗外界环境干扰能力和重复使用性能，具有自学习增强适应性功能，故障自检功能，快速跟踪人体运动轨迹和姿态等功能。

2.4 能源技术研究

目前国内外的外骨骼助力机器人主要用蓄电池为驱动系统和控制系统供电，续航能力受到蓄电池容量和效率的约束。高效、低噪和轻小型的燃料电池、太阳能充电系统如果能应用于外骨骼助力机器人，将会大大的增加其续航里程。德国SFC公司最新研发了一种结合传统燃料电池技术和甲醇技术的新型燃料电池M-25，续航能力至少72小时，比同等时长的传统电池轻80%，可以将燃料电池应用于外骨骼助力机器人上，或借鉴其相关技术研发一种更适合外骨骼助力机器人的燃料电池。美国军方配备了一种充电效率高、重量轻、可弯曲和免维护的太阳能充电系统，可以为电台、笔记本电脑，甚至可以通过多组联接提高功率，给汽车等大功率设备充电，可以对现有外骨骼助力机器人应用的蓄电池进行改进，利用太阳能充电系统充电续航。

2.5 安全性设计研究

外骨骼助力机器人在工作过程中有可能出现摔倒、碰撞和控制失效等意外状况，势必会对穿戴者造成伤害，所以对外骨骼助力机器人的安全性进行设计研究势在必行。在整个设计与应用过程中要坚持以人为本，应在设计、控制、操作和维护等各个环节对系统建立安全评价方法。对外骨骼助力机器人本身而言，可以采取在保证各机械构件满足强度和刚度的前提下采用质量小、惯性小的构件，在各关节处设置安全限位保护装置和缓冲阻尼装置。控制系统在意外断电和信号丢失后使驱动器回到自由状态，要易于穿戴者自身进行控制。此外，在外骨骼助力机器人与穿戴者直接接触的部位可以安置安全气囊或弹簧缓冲垫，减小外骨骼助力机器人对穿戴者的伤害。

3 外骨骼助力机器人的应用

外骨骼助力机器人的研究和应用已经多年，有许多成熟产品已经投放到了市场，根据Marketsandmarkets 研究报告，2014 年外骨骼助力机器人市场规模为1 650万美元，预计到2021年增长到21亿美元。随着外骨骼助力机器人相关技术的不断完善、成熟，外骨骼助力机器人在军事领域、医疗领域和工业领域的应用将最为广泛。

3.1 军事领域的应用

外骨骼助力机器人可以增强士兵的负重能力、机动性、耐久性等，在军事领域主要体现在以下几个方面：

1) 提高作战效能：现在各国士兵都配备了一些新型的设备和武器，增强了士兵的作战力，但是也增加了士兵的负担。士兵穿戴外骨骼助力机器人后不但能代替士兵本身承担这些设备的重量，甚至可以减少士兵正常行走的体力消耗，这将显著增强士兵作战的机动性和耐久性。

2) 后勤补给与战地救援：避免人工高强度重复劳动导致的肌肉拉伤，轻松实现弹药的搬运。在战场救援方面，救援人员可携带较重的医疗救援设备抵达目的地，或者快速将负伤人员从战场上转移到安全区域。执行后勤保障任务时，可用有限的人力灵活运送物资装备，能够较好地解决物资装备运输补给与灵活性、隐蔽性之间的矛盾。

3) 综合作战：士兵能携带更多的和火力更大的武器装备提高打击能力，在外骨骼助力机器人上加装适合单兵的复合材料装甲提高防护能力，外骨骼助力机器人可以加装传感器系统，以加强士兵的战场态势感知能力。

3.2 医疗领域应用

现在全球老龄化加剧，与此同时，由于各种自然灾害、疾病以及交通事故造成的残障人士也在逐年增加。无论是老年人还是下肢残疾人，他们的活动范围都受到了很大的限制，这就大大降低了他们的生活品质和生活自由度。外骨骼助力机器人的助力行走功能可以增大老年人和残疾人的活动范围，提高他们的行动自由度，改善他们的生活品质，帮助他们更好的融入社会。外骨骼还可用于医疗运动康复辅助训练，用数值量化的客观评价方法改善训练效果。据相关资料，截止2015年，有84台Rewalk 外骨骼机器人在多家康复中心使用以及54台在个人和社区使用，Ekso 机器人外骨骼已进入全球60 家康复中心，共计出售或出租64 台Ekso，累计帮助3000多位患者进行治疗，HAL 外骨骼助力机器人已进入163 家康复中心。

3.3 工业领域应用

在工业领域外骨骼助力机器人可以应用于工程施工、紧急救助、生产制造、搬运运输、危险工作等。其中，工业生产领域外骨骼助力机器人可以帮助生产线上的工人减轻重复劳作的压力，还可以做手臂重物支撑，可以替代小型叉车。外骨骼在工业领域已经进行了许多次测试。2011 年普吉特海湾海军造船厂，工人身着全身外骨骼机器人(HULC+Zero-G)托举电动砂轮机进行船体打磨，打磨时间仅为常规耗时的1/3。美国海军随后又在海军船坞进行了洛克马丁公司的Fortis 外骨骼机器人的试验和评估。穿戴韩国大宇的外骨骼机器人的工人可以轻松抬着30 kg的东西用正常速度行走。日本HAL外骨骼机器人被用于福岛核电站救助现场，外骨骼系统既可以助力，还可以防辐射。Ekso Bionics 的研究人员正在测试一款为建筑和工业领域的工人而设计制造的仿生学外骨骼，这款外骨骼助力机器人使得普通人能够拥有真正的“超级力量”。

4 结论

目前虽然各国在外骨骼助力机器人的研制成绩斐然，但还存在很多问题，军用外骨骼助力机器人的装备时间还是未知数，民用外骨骼助力机器人的商业化进程也较缓慢。然而在微驱动技术、材料科学、能源技术以及信息技术等这些新技术的推动下，外骨骼助力机器人会向着人工智能、高效轻小、安全可靠、柔顺舒适、低廉多用等方向不断发展。

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(责任编辑 周江川)

Analysis of Exoskeleton Assist Robot Research Status and Key Technology

ZHOU Jia-yong, MO Xin-min, ZHANG Ang, MENG Xiao-jing, ZHAO Hao，JI Ping-xin

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)

According to the research work of accumulation and access to relevant literature, study on the status quo of exoskeleton at home and abroad were summarized, and the exoskeleton assist robot of structure techniques, driving control technology, sensor technology, energy technology and security technology and so on were analyzed, and the application prospect of exoskeleton assist robot in the military field, medical field and the industrial field were analyzed.

exoskeleton; assist robot; key technology

2016-05-19；

2016-06-15

周加永(1984—)，男，工程师，硕士研究生，主要从事液压及机械设计技术研究。

10.11809/scbgxb2016.10.021

周加永，莫新民，张昂，等.外骨骼助力机器人研究现状与关键技术分析[J].兵器装备工程学报，2016(10):99-104.

format:ZHOU Jia-yong, MO Xin-min, ZHANG Ang, et al.Analysis of Exoskeleton Assist Robot Research Status and Key Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):99-104.

TP24

A

2096-2304(2016)10-0099-06