浅析下肢外骨骼机器人的现状与发展前景

(1.山东科技大学机械电子工程学院 山东 青岛 266590) (2.山东科技大学交通学院 山东 青岛 266590)

浅析下肢外骨骼机器人的现状与发展前景

刘学彬1郑伟1任保飞1赵士英1邹亚男2

(1.山东科技大学机械电子工程学院山东青岛266590) (2.山东科技大学交通学院山东青岛266590)

下肢外骨骼机器人属于服务机器人，适用于医疗康复。随着科学技术的发展，伴随机器人技术的迅猛发展，人体外骨骼机器人的得到了越来越多的重视。机器人的智能化，交通的快速化，人口的老龄化，医学的发展都促进了人体外骨骼的广阔发展前景。下肢外骨骼机器人能够实现增强身体机能、康复训练、助力行走等功能，正逐渐成为社会中不可或缺的一部分。

下肢外骨骼机器人；医疗康复；智能化；发展前景

进入21世纪以来，传统的工业机器人发展已经趋向成熟化，新兴的机器人产业开始呈现井喷趋势，比如说，体内机器人、情感机器人、空间机器人、人体外骨骼等等，本文只对人体下肢外骨骼机器人的现状和发展前景进行浅析。人体外骨骼是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。主要有下肢外骨骼、上肢外骨骼、手指外骨骼和全身外骨骼等形式，又称为“可穿戴的机器人”。随着交通的快速化，人口的老龄化，心血管疾病和神经系统病人的增多，军事领域的激烈竞争，造就了人体外骨骼机器人的广阔发展前景。本文主要从增强身体机能、康复训练、助力行走三个方面对下肢外骨骼机器人进行浅析。

一、下肢外骨骼的增强身体机能

人体外骨骼的发展开始于军事领域，最初的目的主要是增强人体的机能，应用于军事方面的长途奔袭、搭载重装备的情况。21世纪以来，很多国家开始重视下肢外骨骼机器人在医学方面的应用，不仅能够适应在复杂道路，而且其它交通工具很难替代外骨骼的应用。比如说，美国伯克利大学和军方合作项目：外骨骼助力机器人士兵服，它将自动机械支柱和人体的两条腿进行连接，从而实现降低负重，使得士兵可以携带更多、更重的装备，还能实现远距离的行军。时间就是生命，下肢外骨骼的出现让未来的军事产生了更多可能，虽然我们不喜欢战争，憎恶战争，但是我们也要武装自己，让我们国家的军事实力越来越强，时刻准备着抵御外敌，而随着未来单兵机动力、防护力、进攻力和信息力的发展，必然使得单兵负重不断增加，应运而生的是南京军区南京总医院日前研发了一款单兵外骨骼系统，令士兵变身为“钢铁侠”，这套单兵负重辅助系统是根据昆虫外骨骼的仿生学原理研制而成的。在我们的平时生活中，外骨骼机器人可以帮助我们登山、旅游、救灾等方面，让我们能够背负更多物资和装备，完成汽车等其他交通工具无法完成的任务。

二、下肢外骨骼的康复训练

下肢外骨骼机器人在对有运动障碍的人员当中，特别是老年人和很多残疾人的治疗和康复过程中作用突出，不仅可以对护理人员匮乏、医疗费用昂贵等问题进行解决，而且一定程度上减少护理人员疏忽、训练不得当等问题。下肢外骨骼的康复作用是医学和机器人的完美结合，对心血管病人、中风、下肢损伤等病人具有不可磨灭，也无可取代的作用。比如说，瑞士苏黎世联邦工业大学研究的LOKOMAT康复机器人，主要是由步态矫正器、体重支持系统和跑台三部分组成，通过提前侦测患者的运动，实现顺着患者行走轨迹，不能强制改变患者的行走轨迹，更好的实现人性化功能。LOKOMAT机器人以人为本，通过对机器人的评估，建立起一种更加有效，更加人性化，更加科学的治疗方式。

三、下肢外骨骼的辅助行走

辅助行走机器人主要是帮助肢体行走有障碍的患者实现他们渴望的行走目的。外骨骼借鉴了腿式机器人、仿人机器人、仿生机器人等技术，通过全身遍布的传感器获得各项数据，并传递给中央处理器，然后经过必要的计算来调整外骨骼的动作，研究出行走助力装置。辅助行走机器人不仅能够分担患者自身体重的部分，使患者更好的步行、上下台阶等动作，还能通过必要的计算对患者的步态轨迹进行更人性化的优化设计。比如说，韩国西江大学研究的Intelligent Walking Assistive Robot,对身体较弱的老人，行走不变的病人都能够完成很好的助力行走，扩大了他们的活动范围和运动能力，让他们对生活更加的有信心。Intelligent Walking Assistive Robot由外骨骼和手推车两部分组成，以电池和马达作为驱动元件，并将较重的装置尽量设置于手推车中，可以减轻患者的负重，也能更好的保持患者的平衡，这将更有利于他们的行走。浙江大学研制的可穿戴式假肢，对下肢髋关节和膝关节进行驱动，采用自适应模糊人工神经元网络控制方法进行计算，算出患者的期望动作并进行具体的实施。

四、结论与前景

下肢外骨骼机器人给患者提供了“腿”，解决了行走障碍，提高了生活质量，也缓解了家庭经济负担。随着社会的发展和生活水平的提高，人们对医疗水平的期望，以及军事领域的快速发展，人体下肢外骨骼机器人的发展一定会实现一个迅猛的发展。就目前而言，研究国外的发展相对更好，特别是美国、日本等国家。而我们中国起步相对较晚，技术也还相对欠缺，当然也存在一些难点急需解决，比如说，驱动器和驱动系统的选择、助力装置和操作者的协调，以及机构的合理优化等问题。综上而言，下肢外骨骼机器人拥有非常好的前景，不仅仅是在军事领域，更是在社会生活中。相信在未来的某个时期，下肢外骨骼技术就会像我们穿衣服一样，会解决我们的困难，也可以实现大脑意识的传递，并成为我们生活不可缺少的一部分。

[1]百度百科

[2]柯显信等.人体下肢外骨骼机器人的发展及关键技术分析.机器人技术与应用，2009年双月刊第六期

[3]柴虎等.外骨骼机器人的研究发展.医疗卫生装备，2013年

[4]欧阳小平等.助力型下肢外骨骼机器人现状和展望.科技导报，2013

刘学彬(1990-)，男，汉族，学历硕士研究生在读，山东科技大学，研究方向机器人。