人体外骨骼发展现状 - 图文

1 绪论

1.1 研究背景与意义

在急速发展的现代社会，人们通常都会使用轮式交通工具运载沉重物体，但在实际生活中，有许多地方道路凹凸不平，轮式交通工具难以行进，由于人腿能适应较复杂路况的优点，使得行走助力装置应运而生[1]。它是一种可以辅助人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的智能来控制机器人的行走，简化了自主行走式两机器人最为常见的步态规划和步态稳定性问题，同时它又可以提供动力协助人的行走，增强人们行走的能力和速度，缓解人在大负重和长时间行走情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人们的运动范围，故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。在一些交通已经过于拥堵的城市，下肢步行外骨骼还可以作为一种新型的轻型环保交通工具，可以大大减少城市汽车流量，降低市区的堵车情况，减少城市的汽车尾气污染，减缓城市的停车压力，同时使用者还可以达到锻炼身体的目的[2]。

目前，行走助力装置主要应用于两方面：（1）用于负重、长距离行走时进行助力（2）用于老年人或下肢瘫痪者行走时进行助力。行走助力装置的发展借鉴了腿式机器人、仿人机器人的技术和经验，又在结构、控制能力等方面做了深入的研究，经过不断的努力，现已开发出几类行走助力装置，并对相关技术做了深入的探讨，取得了一定的成果。

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值也越来越高。而医疗水平的提高自然依仗医疗器械的更新和改善。对于下肢受伤或有关节肌肉病患的病人来说，克服伤病需要借助适当的医疗器械帮助下肢逐渐恢复正常机能。本文所介绍的正是出于此种目的，由多缸并联的气动步行助力器。

1.2 国际上下肢外骨骼的研究现状

1.2.1 德国奥托博克(ottobock)的C-LEG智能仿生腿

德国OTTOBOCK公司的最新产品智能仿生腿（C-LEG）是世界上第一个完全由电脑控制步态的假肢膝关节系统，能使配戴者稳定牢固的控制下肢运动。智能仿生腿有两个电子传感器：一个位于小腿管中，分别测取脚跟踏地和脚前掌的压力，为假肢支撑期的稳定性控制提供信息。一个位于膝关节的支撑框架中，测量膝关节屈度和膝关节摆动速度的变化，为假肢摆动后期的活动性控制提供信息。这两个传感器可将假肢的运动状态以每秒50次的采样频率向电脑提供测定值。微处理器可以瞬间识别使用者的假肢状态。同时，微处理器将所得信号进行加工处理，通过伺服电机控制膝关节液压系统。整个反馈过程是真正意义因人而宜的调整。完全个性化的分析，服务，为患者提供更多的舒适性，活动性和生活乐趣。

图1.1 德国奥托博克(ottobock)的C-LEG智能仿生腿

1.2.2 美国DARPA的EHPA研究项目

美国国防部高级研究项目局（Defense Advanced Research Projects）于2000年出资五千万美元用于资助对能够增强人体机能的外骨骼（Exoskeleton for Human Performance）的研究与开发，准备在近几年研制一种穿戴式的，具有自适应能力的外骨骼系统，使士兵在穿着外骨骼后，行军能力大大提高，可以肩负400磅（181公斤）的军用设备，连续运行至少4个小时。在战争中，外骨骼可以使士兵作战能力大大增强，同时在士兵受伤后，可以起到一定的保护作用。

DARPA的该项目总共资助了多家研究机构，其中有四家负责设计和研制出整套的外骨骼系统，他们分别为加州大学伯克利分校的人体工程实验室（HEL），SARCOS机器人公司，橡树岭国家实验室（ORNL）公司，其他一些获得资助的研究机构主要负责开发适用于外骨骼的动力供应设备。其中，加州大学伯克利分校的人体工程实验室率先在2004年推出了他们的BLEEX （Berkeley Lower Extremity Exoskeleton）外骨骼系统，如图1.2所示。该系统由两条动力驱动的仿生金属腿、一个动力供应单元和一个用于负重的背包架组成。该系统使用混合动力，即使用液压能驱动双腿行走，同时对随身携带的计算机供应电能。外骨骼上共安装有40多个传感器和液压驱动器，它们共同构成了一个局域网络，该网络向计算机提供必要的信息，计算机根据这些信息了解操作者当前的状态，并据此对人的负载情况实时进行必要的调整。实验表明，操作者身着重达100磅的外骨骼，同时背上10磅的背包在房间里行走，他所感觉到的重量只有5磅。

图1.2 美国DARPA的EHPA研究项目

1.2.3 新加坡南洋理工大学的NTU Lower Extremity Exoskeleton

图1.3 新加坡南洋理工大学的NTU Lower Extremity Exoskeleton

目前，新加坡南洋理工大学的罗锦发教授（Low Kin）也在研究和开发一种可以增强人体速度、力量和耐力的下肢外骨骼，目标是使其能够帮助诸如步兵一样的操作者进行大负重、长距离的徒步行走。图1.3左图所示是他们的整个外骨骼系统的概念设计；右图则是他们现阶段己经开发出来的原型系统，该系统主要由两个部分所组成:内侧外骨骼和外侧外骨骼。其中，内侧的外骨骼绑缚在人的下肢上，利用关节处的编码器来测量行走时的关节角度信号；外侧的外骨骼用来提供助力，根据内侧外骨骼测得的关节角度值通过电机来提供动力。他们的另外

一个主要工作在该原型系统上利用零力矩点（ZMP）理论进行了外骨骼行走稳定性方面的研究。

1.2.4 日本筑波(Tsukuba)大学的HAL系列下肢外骨骼

由日本筑波大学的山海嘉之(Yoshiyuki)教授开发的HAL (rid Assistive Limb )系列下肢外骨骼用于协助步态紊乱的病人行走[3]。它采用了角度传感器、肌电信号传感器和地面接触力传感器等传感设备来获得外骨骼作者的状态信息。它的所有的电机驱动器、测量系统、计算机和无线局域网络，以及动力供应设备都整合到背包中。使用装在腰间的电池进行供电。HAL拥有混合控制系统，包括自动控制器进行诸如身体姿态的控制，以及基于生物学反馈和预测前馈的舒适助力控制器。

图1.4 日本筑波(Tsukuba)大学的HAL系列下肢外骨骼

图1.4所示为HAL-3，它是山海嘉之教授历时十年研究的成果。HAL-3是套下肢装，专门设计来帮助下肢残障者或是老人们，能更方便地进行日常生活中的许多动作，像是走路、上下楼梯等等。在2005年日本博会上展出了HAL-4和HAL-:S的原型，这些机型不但能帮助使用者走路，还有上半部能辅助使用者的手臂，使用者穿戴上这种装置，就能提起比原本所能负荷还要更重40公斤的东西。同时，更新的HAL-4不需要使用背包，而是将计算机和无线网络装置缩小，以塞进这套装备的腰带里面。在HALS上则有更小的马达空间，好让装备的髋部和膝盖部分体积更小，如图1.2右图所示。在重量_上，HAL-3重22公斤，HAL-4重17公斤，而HAL-5仅重15公斤，但使用者几乎是感受不到这个重量的，因为装备的脚跟部分会吸收这些重量，而这套装备提供的协助绝对足以补偿

重量上的负担。目前，山海教授成立的公司己经实现了HAL的商业化，每套HAL都会针对个别使用者的需求及体能状态而特别订制，售价约为14000美元到19000美元。

1.2.5 日本神奈川(Kanagawa)工科大学的Bearable Power Assist

为了给护士们开发一套可穿在身上的助力装置，用于给她们提供额外的力气来搬运病人，神奈川工科大学的杨教授在他1991年研制出的气动助力上肢的基础上增加了腰部和腿部装置，开发了一套独立式的可穿着的助力外套，如图1.6所示。该外套选用了微型气泵、便携式镍锅电池和嵌入式微处理器使系统的动力提供和控制系统极其小型化。整个装置的金属结构由硬铝合金加工而成，重约30公斤。肘部、腰部和膝部的关节驱动采用新式的可直接驱动的旋转位移式气动驱动器，肌肉力量信号的采集采用布置于上臂、大腿和腰部的肌肉硬度传感器测得。微处理器在收到传感器的输出信号之后，计算出保持某个姿势的所需的关节力矩，然后输出控制信号给PWM驱动电路，以驱动旋转气缸的动作。

图1.5 日本神奈川(Kanagawa)工科大学的Bearable Power Assist

1.2.6 日本本田公司开发的步行助力器

本田公开发布了一款叫[体重支撑型步行辅助装置]的原型机。通过它来分担体重的一部分，从而减轻使用者在步行、上下台阶以及半蹲时两脚的负担。接下来要做的工作是验证在实际使用环境中的有效性。

[体重支撑型步行辅助装置]通过支撑使用者的部分体重，来减轻脚的肌肉和关节（髋关节、膝关节、踝关节）的负担。该装置由座椅、框架和鞋构成，结构非常简单。使用时只需穿上鞋，跨上座椅即可，穿戴也非常方便。另外，由于使用了本田独自开发的，能够使辅助力量的方向自动与人体重心方向重合的系统，还使用了能够配合脚的移动来使用辅助力量的系统，因此装置能够很自然地辅助使用者完成各种各样的动作和姿势。

图1.6 日本本田公司体重支撑型步行辅助装置

1.2.7 韩国西江大学的Intelligent Walking Assistive Robot

韩国西江大学的外骨骼设计初衷是为了方便体弱和行走不便的老人，扩大他们的运动范围和活动能力[4]。如图1.7所示，该外骨骼结构上的显著特点是整个装置由两个部分组成:外骨骼和手推车。所有的驱动元件，包括电池和马达，及控制器等较重的周边设备都布置在手推车中，这样一方面可以减轻操作者的负担，另一方面亦可以保证老年人的行走平衡。在控制方面，他们采用类似于机电信号（EMG）的肌纤维膨胀信号，利用绑在大腿和小腿上的气囊内的气体的压力变化来测得，而在人腿自由摆动，即肌纤维不膨胀时，则利用关节处的电位计式角度传感器的信号来触发驱动器的动作。传感器信号的熔合和处理是通过便携式计算机中的模糊控制算法来实现的。

图1.7 韩国西江大学的Intelligent Walking Assistive Robot

1.2.8 浙江大学机电所开发研制的可穿戴式假肢

该研究致力于开发一套用于增强人体步行能力的可穿戴式下肢外骨骼，它引入人作为整个控制系统的主要部分，可以缓解人们由于过量的双足步行所引起的身体疲劳。论文中讨论了设计拟人化和可调节式下肢外骨骼机械结构的方法，并采用一种层次式的控制系统来实现目标功能。特别的是，研究并实现了一种基于ANFIS算法的控制策略，它可以将足底压力信号和气缸的位移控制信号直接关联起来，并且，通过软件仿真证明了这种方法的可行性。目前，已经开发了一套下肢外骨骼的原型实验系统，用来验证一些理论成果并以此为平台进行下一阶段的实验研究。本项目的特色与创新之处在于：

（1）设计新型的用于增强人体步行能力的下肢外骨骼机构，减少人在步行中的能量消耗，降低长距离大负重徒步行走所带来的疲劳。

（2）根据人体下肢的生理结构，按照拟人化原则进行机械结构设计，使下肢外骨骼具有良好的穿着性能。

（3）利用人体步行时的足底压力信号触发下肢外骨骼的动作，使控制系统大大简化，开发成本大大降低。

（4）对不同的人，下肢外骨骼具有广泛的适应性，可以掌握每个人走路的不同步态并原样再现，大大增加穿着步行时的舒适感。

图1.8 浙江大学机电所开发研制的可穿戴式假肢

1.3 设计中的难点

在开发一套步行助力系统的整个过程中，目标功能最终能否顺利实现取决于很多因素的共同影响和作用，包括设计拟人化的人体下肢外骨骼机构、选用高效的控制方式和控制策略等，解决了这些问题才能使系统不仅能够跟随使用者完成必要的下肢运动，而且可以对人体步行适时提供助力，从而大幅度提高使用者的活动范围。

具体来说，为实现最终的功能要求，在整个系统的研发过程中，主要存在以下几大技术难点：

（1）机构的合理设计，包括：下肢机械结构和关节运动副的优化设计，驱动器件和传动器件的合理选择与设计，运动自由度的分配等，以便使人穿戴舒适、操作灵活、最大限度地拓展人的活动范围，这是开发过程中首先需要解决的问题。

（2）步行助力装置和操作者的协调运动问题。步行助力装置要能保证它可以和操作者始终保持协调一致的运动节奏，以使二者之间的互相干涉作用最小，并可以根据人的运动意图来适时提供助力。保证人穿戴后，运动负担减小，即穿戴后行走同样距离的路程人体所消耗的能量比没有穿戴外骨骼时所消耗的能量少。

（3）驱动器和驱动系统的选择。既要有较轻的重量，较小的体积，又必须具有较大的驱动力或驱动扭矩，同时还要有良好的散热性能。这也是可穿戴式的下肢外骨骼系统能否实现“结构紧凑”、“轻巧便携”和“携带动力”等几大要素的关键问题。小型化轻量化的空气压缩源成为提供驱动力的首选。

（4）样机材料的选择。由于下肢步行外骨骼系统是穿戴在人身上，与人一起运动的，因此必须要求外骨骼非常轻便，同时又要具有很好的刚度，能够承受人的重量以及与地面的碰撞，因此可能需要选用一些新型的复合材料作为样机的制作材料。

1.4 本文主要的研究设计内容

由于能力和篇幅有限，对本论文来说，研究主要内容主要集中在一些基础性的工作上，主要目的是通过借鉴一些已被开发出来的步行助力装置，设计一种简单、轻便的，主要适用于骨关节病患者的气动并联步行减重助力装置。具体来说，本文所涉及到的内容主要有以下几方面：

首先，减重气动步行助力器的机械结构总体设计。为了满足基于人机一体化的思想，设计出可以使使用者穿戴舒适、方便的下肢外骨骼系统，在设计过程中将尽量满足拟人化原则。所以在总体结构设计之前，论文会先对人体下肢的骨骼结构和运动机理作简要的分析，为顺利展开总体及零部件设计提供基础。

其次，下肢外骨骼机构重要部位的设计以及关键零部件的设计。包括气缸的选型，滑动自锁机构的设计，脚部连接机构的设计，骨盆支撑结构的设计等，这些将是本文的重点。

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