可穿戴式机器人的研究进展

薛泽浩 陈家霖 黄柄常 李诗慧

摘 要：本文基于可穿戴式机器人的社会需求，对可穿戴式机器人的研究进展、应用领域以及面临的挑战和设计上需要解决的问题进行简要阐述，以供了解可穿戴式机器人的发展现状和未来方向。

关键词：可穿戴机器人 军事 辅助康复 农业 挑战

一、当前，随着社会的发展，全世界的人口老龄化问题趋势日益严重。

而老年人普遍存在体力不支，行走不便等状况，给家庭和社会都带来了压力和负担。因此，针对老年人和残疾者的这种行走困难、吃力的状况，研究开发一种穿戴舒适的，可以为老年人或残疾人提供助力的外骨骼，使其能够帮助老年人行走、适当负重等，可在一定程度上缓解社会的压力。

另一方面，虽然传统轮式交通工具是远行与负重的主要方式，但是它对路面环境等要求较高，很多领域仍然无法进入。基于军事、科考、消防等领域的需求，美国等一些国家的实验室和研究机构研制出了穿戴式外骨骼机构。这种机构能为穿戴者提供充足的力量和耐力来增强的长距离行走和负重等能力，从而完成一些特殊任务。

二、可穿戴式机器人的概述

外骨骼原意是指节肢动物身体的坚硬外壳，它为动物自身提供支撑、运动、防护等功能。而可穿戴式机器人是一个基于人身体形状和功能所设计的机电一体化系统，结合了人外形上的一些部位和关节，可以被看作是一种补充、提高或者代替人类功能的技术。随着技术研究的进步，它将具有感知、预测、自主控制等功能。这款机器人的物理接口允许机械能的直接转换和信息交换，它可以在一个智能环境中与人进行亲密的工作、互动以及合作，已经应用在遥操作、人肌增强和康复方面，从而救助运动控制受损的人。

可穿戴式机器人是从军事领域需求中发展而来，旨在帮助人携带更多负载的机器人，以至于完成各种工作。美国五角大楼认为，未来士兵应当全面实现机械化和自动机器人化，并责成国防高级研究计划局负责，拨款5000万美元从事这一领域内可穿戴机器人项目的研究。即士兵佩戴可穿戴机器人后，将成为一名超级士兵，拥有无穷的力量，可携载更多的武器装备，火力威力增强，防护水平提高，同时可克服任何障碍，高速前进，不会产生疲劳感，以至于提高战斗力。

三、可穿戴式机器人的应用领域

（1）军事领域

很早就有科幻小说提及穿戴在人体外表、具备动力的特殊装甲，借以提高人类的战斗力，这样的装备即被称作可穿戴机器人。而被大众所熟知的“铠甲勇士”便是可穿戴机器人的典型例子。可见可穿戴式机器人在军事上的应用不容小觑。

2000年，美国国防高级研究规划局发布的可穿戴机器人计划的研制招标书，包括以下4个方面：

结构材料──必须使用坚固，轻型且有弹性的材料。这种材料必须能够保护穿戴者，以大幅度减少伤亡。

轻巧的能源──携带的能源必须能够维持24小时的工作，且轻巧完全无声。

控制与动作──能够同步跟随使用者的动作，加强使用者的力量并模仿各种动作如跳跃跑动等。

液压元件──动作必须流畅、高效且完全无声。

可穿戴式外骨骼机器人助力的步兵只要有足够的电源，长途行军之后仍然能够很快地挖掘更多、更深的工事。为了帮助士兵在陌生环境下准确、快速抵达地点并了解周围敌我情况，军用外骨骼机器人将会安装GPS、夜视装备等。更先进的型号甚至有可能按照指令或自行判断，将负伤或失去知觉的士兵自行送到后方医护地点。如果军用可穿戴外骨骼机器人技术成熟，步兵的作战效能将会大幅度提升，高速行军的步兵将会再度在战场发挥重大作用。

（2）医疗领域

脊髓损伤和中风患者经常需要步态康复，以帮助他们保持行走或加强其肌肉的能力。可穿戴的“机器人辅助训练”作为一种有助于加强这种康复过程的技术正在迅速出现。

日前，来自中国北京航空航天大学和丹麦奥尔堡大学的研究人员团队在这一领域取得了重大进展。他们设计了一个下肢机器人外骨骼，一个可穿戴的机器人，它具有自然的膝关节运动，可以显著提高患者的舒适度，更愿意穿着它进行步态康复。

未来可穿戴机器人将利用健康管理系统来持续监测人体健康，一方面，这些智能设备用于实时监测和控制；另一方面，它们依靠其他人员（管理员、医生），通过高水平网络平台与外部环境保持联系。

（3）农业领域

东京农业技术大学发明了一款可穿戴农业机器人套装，主要用在帮助一些年老的务农人员。该套装的关节运动依靠装在肩、腕、腰和膝关节处的超声波马达来驱动。这些马达能够帮助穿戴者向上举起约20kg的重物。通过声控命令，该机器人可以实现从简单到复杂不同层次的操作。该机器人未来将不断小型化，由目前的26kg降低到约10kg。

四、可穿戴机器人面临的挑战及存在的设计问题

（1）机械结构设计及系统与人体的协调型

外骨骼机械结构上要能替代使用者的手和足，提供足够助力，且不与使用者发生干涉，有较好的协调性；拟人化外骨骼机构设计，包括外骨骼机械结构和关节运动副的优化设计，运动自由度的分配和冗余自由度选择等，并达到穿戴舒适、操作灵活等特点；机械系统的设计还要考虑安全性问题，特别是应用于助老助残等福利项目时，平衡性非常重要，为此要求机构要能够调节平衡。

（2）环境的建模和穿戴者意向的交流

网络通信的应用促进了可穿戴机器人的发展，第一，机器人不同部位（驱动器、传感器、控制器等）之间相互联系的控制系统和监控系统的模块化和分布式结构，使用总线拓扑的多路有线网络等，让可穿戴机器人系统安全响应更快，如CAN和LIN技术。第二，利用无线技术（无线传感器网络、无线人体局域网、无线移动网络等），由可穿戴机器人、环境和穿戴者之间建立网络实现控制。

（3）能量存储系统对于可穿戴设备的便携性来说至关重要

由于需要相对高的效能和效率，电池、燃料单元和混合动力是目前可穿戴机器人最普遍使用的能量源，其他类型的驱动也有使用，比如超声波马达或者气动人工肌肉。

参考文献

[1]尹军茂.穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计[D].北京工业大学硕士学位论文，2010.

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[4]书山.揭秘美军方奇异的外骨骼机器人研制项目[OL].OFweek机器人网，2014.08.01.

[5]杨晓红.机器人——機器人的最新发展[J].军事家，2009.04.