近年來，隨著科學技術水平的不斷提高，機器人的發(fā)展趨勢已經從單純的接收指令逐漸演變?yōu)槟軌驅崿F(xiàn)人機交互的智能機器人，而外骨骼機器人就是這樣的一種能夠實現(xiàn)人機交互系統(tǒng)的機器人。外骨骼機器人將人體的意圖和系統(tǒng)的智能結合起來，并通過助力支撐增強人體的運動能力，以完成一系列的單獨靠人體或者機器難以完成的任務。因此，外骨骼機器人成為近年來國內外機器人領域主要的研究熱點之一。

外骨骼機器人簡述

       外骨骼機器人的結構一般分為三部分，分別是外骨骼系統(tǒng)結構、驅動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)是外骨骼機器人運動的動力，一般位于機器人的關節(jié)處，它負責按照指令提供力矩來驅動機器人完成相應的動作。驅動系統(tǒng)的選擇與控制，對整個外骨骼機器人能否順利完成指令有著非常重要的作用。

       在給外骨骼機器人選擇驅動系統(tǒng)的時候，需要驅動系統(tǒng)具有優(yōu)秀的動態(tài)性能，能對控制指令進行迅速的響應，并快速完成操作人員的預期動作；同時在滿足負載的情況下，驅動系統(tǒng)的質量和體積越小越好。除此之外，驅動系統(tǒng)還應該具有可靠性高等特點，以保證操作人員在使用外骨骼機器人的過程中的安全性?，F(xiàn)階段外骨骼機器人常用的驅動方式有三種：氣動驅動，液壓驅動和電機驅動。從目前狀況來看，采用伺服電機作為驅動裝置的外骨骼還是占了較大的比重，這種方式的有點在于控制精度高，方案也比較成熟，驅動能源簡單，無污染，速度變化范圍大，工作效率高，響應快，具有良好的啟制動和方向控制等性能，但同時也存在著直接驅動比較困難，易受外界負載影響等不足之處。

外骨骼的發(fā)展

       哈迪曼（Hardiman）外骨骼手應該是世界上第一款外骨骼，由美國通用公司在美軍方的資助下和康奈爾大學的學者共同制作的，采用的就是液壓驅動的方式。但最終它的體積、重量太大了，行動能力低下；其次整套設備有28個鏈接頭，任何一個出現(xiàn)問題都可以導致系統(tǒng)癱瘓，維護難度很高；最后因為科技的限制，它的移動式能源向無法產生穩(wěn)定的能源，供能也很困難。這些問題都不是那個時代可以解決的，所以最終哈迪曼項目中途終止，只留下原型機放在通用公司的博物館里。

哈迪曼外骨骼手

       2004年，在美國 EHPA項目計劃的支持下加州大學伯克利分校研發(fā)了一款下肢外骨骼機器人 BLEEX。BLEEX 由背包、仿人型骨骼、驅動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)組成，重約 45kg，可以幫助士兵在行走的同時增加 34kg 的負重，采用的是液壓驅動，在髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)都安裝了液壓驅動裝置，全身上下共有 7 個自由度，包括髖關節(jié)和踝關節(jié)分別有三個，膝關節(jié)一個，背部一個。BLEEX 有近 40 個傳感器組成的感知系統(tǒng)進行多方位信息融合，利用采集到的信息，系統(tǒng)可以預測到肢體的運動趨勢。在控制算法上，采用的是位置控制加靈敏度放大的混合控制方法。

BLEXX外骨骼

       后來伯克利分校又與 Lockheed Martin 公司吸收了 BLEXX 外骨骼的精華，合力研制了一款新的下肢外骨骼機器人——人類負重外骨骼 HULC。HULC 是完成了對BLEEX液壓傳動等結構的改進優(yōu)化，使穿戴者能夠完成匍匐前進和下蹲等動作。相較于前代，HULC 有了很大的改進。HULC 輕巧簡便，整套系統(tǒng)約重 24kg，采用電池供電，且一次充滿電后，能夠負重 90kg，并可以以 4.8km/h 的速度運行一個小時。踝關節(jié)采用的是被動驅動模式，僅依靠與安裝在踝部的彈性材料完成踝關節(jié)的運動，大大簡化了驅動結構和控制方法，且實驗結果明顯優(yōu)于 BLEEX。液壓動力組成從原本發(fā)動機驅動變成了電機驅動，采用了包含阻尼控制、助力控制在內的多種控制算法，解決了單一控制算法存在的問題。

HULC外骨骼

       除了氣動驅動和液壓驅動的外骨骼機器人，其余基本上都是采用電機驅動方式的外骨骼機器人。比較典型是日本HAL外骨骼機器人。HAL-5 重約為 23kg，由控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和能量系統(tǒng)組成。采用電機驅動方式，髖關節(jié)和膝關節(jié)各設一個自由度?？刂品矫?，通過肌電傳感器、位置傳感器、力傳感器檢測人體的運動狀態(tài)，感知人體的運動意圖，通過控制和調整外骨骼機器人的運動狀態(tài)，實現(xiàn)助力的效果?？梢詭椭袆硬槐愕幕颊咄瓿尚凶摺⒄玖?、坐下、上下樓梯等動作，目前 HAL 系列機器人已在助老助殘、醫(yī)療康復、物資搬運等民用領域得到了很好的應用。2014 年，Sankai 團隊又推出了HAL-single 單腿型醫(yī)療康復機器人，旨在偏癱患者的使用。

日本HAL外骨骼

       我國對于外骨骼的研究起步較晚，相對于國外的技術水平也比較落后，但是我們站在前人的基礎上進行研究，起點相對較高，發(fā)展速度比較快。

       2004年以來，中科院合肥智能研究所就開始了外骨骼機器人的研究工作，并成功研制出了 WPAL 外骨骼機器人。WPAL 它是一款以助老助殘、醫(yī)療康復為主要目的下肢外骨骼，每條腿各有 6 個自由度，分別包含髖關節(jié) 3 個自由度，膝關節(jié)、踝關節(jié)以及足底各 1 個自由度。使用電機驅動方式，髖關節(jié)和膝關節(jié)均安有電機。通過電機編碼器、足底壓力傳感器和人機接觸力傳感器組成的感知系統(tǒng)，對信號進行檢測融合，感知穿戴者的運動意圖和趨勢，采用的是柔順控制算法，實現(xiàn)了良好跟隨、助力的效果。

外骨骼導納控制分享

       阻抗控制分為基于力的阻抗控制和基于位置的阻抗控制，另一種說法是阻抗控制和導納控制。兩者都是做柔順控制的常用方法。導納控制，位置內環(huán)，通過檢測外部力產生位置修正量，阻抗控制，力內環(huán)，通過檢測位移變化，產生相應的阻抗力，兩者都可以表現(xiàn)為柔順性，但導納控制更易實驗。

導納算法可以簡單的看作一個二階系統(tǒng)。

根據(jù)以上原理，設計外骨骼機器人導納控制器，進行實驗。

        通過 MATLAB/SIMULINK 搭建了仿真模型驗證導納模型中慣性、阻尼、剛度三個參數(shù)對控制性能的影響。接著結合導納控制理論分析了主動模式、被動模式之間的區(qū)別以及兩種控制模式的主要作用。其中被動模式主要用于康復前期，通過給定參考軌跡使外骨骼帶動患肢進行機械性的運動以促使患肢肌肉的激活。主動模式主要用于康復后期，不提供參考軌跡，患者按照自己的意圖帶動外骨骼進行運動以達到增強肌力的效果。最后結合主動控制模式和被動控制模式給出了一種主被動切換策略用以幫助患者在康復中期能夠自主選擇選擇訓練模式。

       進行樣機穿戴測試，發(fā)現(xiàn)導納控制能夠很好的進行人機協(xié)同交互，從而有效的促進人體下肢康復訓練。

樣機穿戴演示圖