下肢外骨骼機器人關鍵技術研究及應用

最新 05-10

來源:《中國人工智慧學會通訊》2018年第4期

科技前沿

CAAI 2018年第8卷第4期

程洪，林西川，孫富春，邱靜，劉華平，黃瑞，王藝霖

下肢外骨骼機器人

關鍵技術研究及應用

摘要

下肢外骨骼機器人是一個以人為核心的緊耦合物理人機交互平台，近年來已經成為熱門的研究領域之一。作為一種可穿戴的外部機械裝置，下肢外骨骼機器人不但能夠為穿戴者提供支撐和保護，還能夠通過機械結構完成穿戴者自身無法完成的任務。下肢外骨骼機器人的特性決定了其應用的廣泛性，在軍事作戰、緊急救災，以及醫療康復中都有廣泛的應用前景。本文首先對下肢外骨骼機器人的歷史和研究現狀進行了介紹，然後對下肢外骨骼機器人中的關鍵技術進行了詳細闡述，並搭建了 AIDER 下肢外骨骼機器人，用於截癱病人的站立行走和康復訓練中。

關鍵詞：下肢外骨骼機器人；可穿戴；軍事作戰；緊急救災；醫療康復

0 概述

外骨骼原意是指一種能夠提供對生物柔軟內部器官進行構型、建築和保護的堅硬的外部結構。

外骨骼機器人是一種將人和機器人結合在一起的物理人機混合可穿戴設備（見圖 1）。

圖 1 外骨骼機器人

外骨骼系統可以分為助力外骨骼機器人與助行外骨骼機器人兩大類。助力外骨骼機器人是可以協助人們負重，增強人們運動能力的系統，主要應用于軍事及民用領域；助行外骨骼機器人則能夠幫助或帶動人們行走，完成日常的生活行動，主要應用於醫療領域。

1889—1890 年，Nicholas Yagn 設計了一系列行走、跳躍、跑步輔助裝備。他在最初的版本里用了一個巨大的彈簧，最終經過改進後，它能夠利用壓縮氣囊來儲存能量，這是助力外骨骼機器人最初的模型。在 1917 年，Leslie C. Kelley 設計了一款蒸汽驅動跑步裝置「Pedomotor」，它將一個小型蒸汽機放在穿戴者的背後，其人造韌帶平行於肌肉韌帶，從而直接提供了動力源。

美國通用電氣在 1960 年製造出的Hardiman 是第一款真正意義上的助力外骨骼機器人，它最初的設計目的是讓穿戴者能夠輕而易舉地舉起 1 500 磅（680 kg）的重物。但是這個項目並沒有成功，整個系統由 30 個液壓動力源和伺服隨動鉸鏈組成，採用主 - 從控制模式，能將人類四肢的力量放大 25 倍，雖然非常不穩定，但開創了人類研發動力外骨骼的先河。後來對於Hardiman 的研究集中於它的一隻胳膊上，雖然它最終能夠舉起 750 磅（340 kg）的重物，但是它本身的重量卻有 3/4 噸，幾乎超過了重物的兩倍之多。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室在 1961 年啟動了「Pitman」的動力盔甲項目，自重 227kg 並能攜帶 136 kg 的裝備。皮特曼提出了氫 / 氧燃料電池、內置輔助動力單元和空調、電動人造肌肉驅動、大腦意念感應操縱等概念。

隨後在 1978 年，美國麻省理工學院啟動了動力外骨骼項目的研究，這套系統總重量 11.7 kg，能讓穿戴者在負重 36 kg 的情況下保持每秒 1 米的行走速度，並將 80%的負重傳遞到地面，同時里程碑式地採用了彈簧儲能和變阻尼器關節驅動。這套系統雖然至今尚未成功，但卻為日後動力外骨骼裝置的設計確定了框架。

從 1983 年開始，美國鹽湖城的SARCOS 公司開始著力於動力外骨骼機器人項目，猶他大學的雅克布森（StephenJocabsen）稱之為 XOS。XOS 的控制原理類似於飛機的線性傳導控制，使穿戴者可以輕鬆連續 500 次舉起放下 90 kg 的杠鈴。2000 年獲得美國 DARPA 1 000 萬贊助。

在 2000 年，DARPA 啟動了「增強人體機能的外骨骼」（EHPA，Exoskeletons forHuman Performance Augmentation）項目研製招標書，橡樹嶺國家實驗室、加州大學伯克利分校，以及 SARCOS 獲得該項目的初期研製工作。2004 年，伯克利研究出了BLEEX 系統，發布了人體行走動作充電的方案，電源可維持 20 小時，最大負載可達45 kg；在最大負載時，穿戴者的氧氣消耗量比自力負擔同樣質量要少 15%。

2005 年，SARCOS 公司在眾多項目中脫穎而出，同年，美國洛克希德馬丁公司對加州大學伯克利分校的第二代 BLEEX系統，進行了重新設計並試製了演示樣機，改稱為 Human Universal Load Carrier（HULC）。

2009 年 2 月 26 日，洛克希德馬丁公司正式發布了 HULC 系統，它的重量只有24 kg，由鈦金屬製成，採用兩塊總重 3.6 kg的鋰聚合物電池驅動，一次充滿電可保證穿戴者以 4.8 km/h 的速度背負 90 kg 重物持續行進 1 個小時，最高速度則可達到16 km/h。2009 年 10 月 27 日，俄國防部第 3 中央研究所所長弗拉基米爾 ? 博伊科宣布將斥資 3 500 萬美元在 2015 年前開發出「勇士 -21」可穿戴式外骨骼，裝備這套系統後步兵滿負荷行進時速度可達到16 km/h。

雷神公司在其位於美國猶他州鹽湖城的研究機構內推出了 XOS 2。XOS 2 比第一代外骨骼重量更輕、速度更快、能力更強，同時其耗電量降低了 50%，並利用高壓液壓驅動，分為作戰型和後勤型兩種型號。作戰型只有腿部和腰部附件，後勤型增加了雙臂助力。

1 外骨骼機器人系統研究現狀

目前國內外對於外骨骼機器人及其相關技術的研究已經逐漸向產品化發展。在國際上，對於外骨骼的研究以美國和日本較早，相應的外骨骼系統和演算法的研究也較為深入。國內在外骨骼領域的研究起步較晚，目前大多數的研究機構都處於試驗研究階段。

1.1 國外研究現狀

為了使步態紊亂或失去行走能力的病人和老年人脫離輪椅獨立行走，日本筑波大學的山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）與Cybernics 實驗室開展對外骨骼機器人系統 HAL（Hybrid Assistive Limb）的研製，並與 1999 年完成了初代 HAL 的研發，即HAL-1（見圖 2）[1]。HAL 採用了角度感測器、肌電信號感測器和地面接觸力感測器等感測設備來獲得外骨骼和穿戴者的狀態信息。HAL 擁有混合控制系統，包括自動控制器進行諸如身體姿態的控制，以及基於生物力反饋和預測反饋的舒適助力控制器 [2]。隨後 Cybernics 實驗室又完成了 HAL-3 和HAL-5 的研製。HAL-5 從外觀上做了改進，並且考慮了其舒適性，使 HAL 系統開始從理論研究向日常應用發展 [3]。HAL-3 是一套下肢外骨骼系統，能完成日常生活中的許多動作，如走路、上下樓梯等。HAL-3將相關電氣控制設備均整合到了設計的背包中。

圖 2 HAL-1 Type-B (1996—1999 年 )

HAL-5（見圖 3）系統則是從實驗室研究走向了現實應用，該系統從外形，以及動力上均有所升級，通過關節和腳跟將部分重量傳遞到地面，並且提供的動力輔助足以補償其本身的重量，且能夠提供相應的動力，使穿戴者可以獲得額外的負載能力。除此之外，HAL 研究組又開展研製關於用於偏癱患者康復訓練的 HAL 單關節版本（見圖 3），於 2009 年完成研製工作。

圖 3 HAL-5 Type-B

加州大學伯克利分校相關研究機構於2004 年成功研製了 BLEEX（Berkeley LowerExtremity Exoskeleton) ——伯克利下肢外骨骼機器人（見圖 4）[4]。BLEEX 系統採用液壓驅動，雙下肢腿部各具有 7 個自由度，其中髖關節 3 個、膝關節 1 個、踝關節 3 個，另外在腰帶中部增加 1 個自由度以調整人體下肢運動的協調。BLEEX 系統可以攜帶 34 kg的負載，平均行進速度可以達到 1.3 m/s。

圖 4 BLEEX

由加州大學伯克利分校同洛克西德 ?馬丁公司聯合研製並推向市場的第三代外骨骼系統 HULC(Human Universal LoadCarrier)( 見圖 5)，其負載能力達到 90 kg，使其力量增強更大。同時耐力增強方面，也有了明顯的提升，在負載 36 kg 並以 0.9 m/s 的速度行走時，可以減少 15% 的耐力消耗。HULC (Human Universal Load Carrier) 的最高速度可以達到 4.4 m/s。

圖 5 HULC

以色列埃爾格醫學技術公司（ArgoMedical Technologies）於 2012 年研製出用於截癱患者輔助行走的 ReWalk 外骨骼機器人（見圖 6），由著名工程師阿密特 ? 戈夫爾主持研發 [5]。

圖 6 ReWalk

ReWalk 採用兩連桿的電動腿部支架，每個關節都採用電機直接驅動的方式；在腿部支架上還裝有採集人體信息的感測器，並傳送至背包中的計算機控制器中。ReWalk 能幫助腰部以下癱瘓的人完成站立、行走及上下樓梯等日常動作，用一副拐杖來維持身體平衡，並通過綁在手部的控制器來控制 ReWalk 完成指定動作。

除了以上所述，國外還有許多研究機構從事了外骨骼機器人及其相關的研究工作，如新加坡南洋理工的下肢外骨骼系統 [6]、日本神奈川工科大學的可穿戴助力外套、日本本田公司研發的可穿戴行走輔助工具，以及美國 Exso Bionics 公司的下肢康復外骨骼機器人 [7]。

1.2 國內研究現狀

國內對於外骨骼機器人的研究相對國外起步較晚，從事外骨骼機器人相關研究的主要研究機構有中國科學院合肥智能機械研究所、浙江大學、哈爾濱工程大學、中國科技大學等，這些研究機構從下肢外骨骼的人體信息採集、機械結構、步態分析，以及控制策略等方面進行了較為深入的研究。

中國科學院合肥智能機械所從 2004 年就開始了對助老助殘外骨骼機器人的研究。該外骨骼機器人系統的執行機構是通過直流電機配合行星減速器來實現，採用了多感測器數據融合技術來判斷意圖和實現控制（見圖 7）。

圖 7 合肥智能機械研究所的可穿戴外骨骼機器人

中國科學院的外骨骼助力機器人主控平台採用基於 WINDOWS 的 PC 實現，通過 PCI 匯流排與外骨骼機器人實現通信。該平台採用兩種通用的控制策略，分別為「關節對關節」的主從隨動控制策略和基於人與外骨骼機器人之間的接觸力作為輸入進行的控制策略 [8]。

浙江大學相關研究所開展關於外骨骼機器人的研究也相對較早，分別研究了助力及康復兩種應用的外骨骼機器人。其助力外骨骼機器人採用的執行機構為氣缸驅動（見圖 8），感測系統主要由位置感測器、力感測器和視覺感測器等組成。該系統基於感測信息搭建三層控制環結構，對每層控制環路分別採用不同的方式來進行相應的反饋控制，尤其是在步態綜合層使用了自適應模糊推理系統（ANFIS）來建立非線性的步態控制 [9]。

圖 8 浙江大學的助力外骨骼機器人系統

浙江大學的康復外骨骼機器人則採用電機驅動，配合滾珠絲杠傳動來帶動關節運動，根據患者的健康狀況可以選定三種控制方式，使患者根據控制方式的不同實現不同階段的康復訓練（見圖 9）[10]。

圖 9 浙江大學的康復外骨骼機器人系統

2 AIDER 下肢外骨骼系統

電子科技大學機器人研究中心於 2010年開始著手研製用於下肢康復的助行外骨骼機器人系統（見圖 10）。於 2015 年 9月完成了第一代產品樣機 AIDER，並且於2016 年 9 月正式發布。

圖 10 電子科技大學助行外骨骼機器人系統 AIDER

下肢助行外骨骼系統 AIDER 可用於幫助下肢癱瘓的脊髓損傷患者恢復部分行動能力，擴大運動範圍，幫助截癱病人重新融入生活，找回生活的信心。下肢助行外骨骼系統是典型的集生、機、電一體人工智慧混合體，可以幫助患者完成起立、坐下、平地行走及上下樓梯等動作，擺脫傳統輪椅的束縛，同時提供步態康復等功能。

AIDER主要有腰部盒子、大小腿關節連桿、智能鞋及拐杖組成，其中腰部盒子安裝了 AIDER 主控系統、電源管理系統及電池，大小腿關節均為主動關節，通過自主研發的電機驅動器控制電機提供驅動力，配備智能鞋可以採集患者穿戴過程中的腳底壓力，並具備感知環境障礙功能。藉助人工智慧及其他核心技術，提供擬人化步態，輔以多感測融合自然交互功能，幫助患者重新站立起來，更舒適地完成起立、坐下、行走和上下樓梯等動作，擴大日常活動範圍。

3 外骨骼機器人系統關鍵技術研究

3.1 人機系統交互參數建模及適配

下肢外骨骼是一個可穿戴的緊耦合物理人機系統，在穿戴過程中與穿戴者的交互協調性，直接影響到穿戴者的穿戴體驗。因此，對人機系統交互進行參數化建模和適配，是人機交互協調性的關鍵研究點。

在 AIDER 系統中，為了自適應不同穿戴者的人機系統交互模型，我們提出了外骨骼步態運動的自動人機適配技術，充分考慮了人體結構、多模態的異常步態特徵信息，建立了基於人因工效學的外骨骼仿生自適應結構和改良的彈簧阻尼模型，實現了對多種人體和不同步態的自適應配置。

圖 11 描述的就是 AIDER 系統中的改良的彈簧阻尼模型。在改良的彈簧阻尼模型中，我們加入了如下慣性參數 :

圖 11 加入慣性參數的彈簧阻尼模型

通過對人機系統交互進行參數化建模和適配，能夠顯著減少穿戴者在穿戴外骨骼運動過程中的交互力，提升穿戴者的穿戴體驗。

3.2 多模人體運動意圖識別感知及預測

外骨骼作為一個可穿戴設備，其運動目標總是需要跟隨穿戴者的控制命令進行運動，所以在下肢外骨骼的研究中，如何對穿戴者的運動意圖進行快速的感知和預測，是建立自然的人機交互界面的關鍵研究點。在已有的人體運動意圖識別中，主要通過獲取穿戴者的生理信號來進行運動意圖識別，其中生理信號主要包括肌電信號 (Electromyography, EMG) 和腦電信號(Electroencephalography, EEG) 等。

但是由於生理信號和穿戴者自身身體狀況的局限性，僅靠生理信號往往不能準確地對穿戴者的運動意圖進行感知和預測。我們提出了基於 EEG、EMG、交互力感測器和姿態感測器等生機結合的感測系統，實現生理信號和物理信號的多模融合，並結合視覺、聽覺和觸覺的反饋，建立完整的人機物理認知雙向交互，對穿戴者的運動意圖進行準確的識別感知和預測。如圖 12 所示。

圖 12 多模人體運動意圖識別感知及預測

3.3 基於增強學習的智能步態規劃和控制

在下肢外骨骼的演算法設計中，步態規劃和控制是達到預定運動和實現輔助行走或助力的關鍵因素。而作為一個緊耦合物理人機系統，如何實現智能的步態規劃和控制來自適應不同的穿戴者和不同的環境，是下肢外骨骼步態規劃和控制的關鍵研究點之一。

在 AIDER 外骨骼的步態規劃和控制設計中，我們引入了一種層級互動式學習(Hierarchical Interactive Learning, HIL) 框架 ( 如圖 13 所示 )。在層級互動式學習框架中，將步態規劃層作為上層學習，控制器學習層作為下層學習，上層的學習結果則作為下層的學習目標，形成一個層級的學習框架。

圖 13 層級互動式學習框架

在上層學習框架中我們通過動態運動基元 (Dynamic Movement Primitives,DMP) 對下肢外骨骼的步態進行建模，並利用局部加權回歸 (Local WeightedRegression, LWR) 對 DMP 的模型參數進行在線學習和更新，以適應不同的穿戴者和穿戴者的不同運動狀態。而在下層控制器的學習中，我們建立了一個基於模型的參數化控制器，並通過增強學習(Reinforcement Learning, RL) 的方法對控制器的參數進行在線學習，以達到減少外骨骼和穿戴者之間的交互力，並且使控制器能夠適應不同的穿戴者和穿戴者的不同運動狀態。

3.4 基於人因工效學的下肢外骨骼設計

外骨骼作為一個基於工效學設計的系統，需要做到能夠保證穿戴者的安全性、舒適性，以及健康性。所以在外骨骼系統的研發與設計過程中，以下幾個因素是至關重要的：① 人體下肢生物力學的運動特點及功能，特別是髖關節、膝關節和踝關節；② 物理人機交互界面；③ 人機交互模式；④ 能源、執行器，以及執行系統的機制。總體來說，就是既要保障外骨骼系統與人體的正確配合，還要設計一個舒適的人機交互界面。

典型的人體下肢關節的自由度和運動範圍（見表 1）。

在下肢外骨骼機器人的設計中，至少應該滿足以下幾個自由度的要求：① 盆骨自由度為 3，即矢狀面、額狀面及水平面轉動；② 髖關節自由度為 3，包括屈 / 伸、收 / 展、外旋 / 內旋；③ 膝關節屈自由度為 1；④ 踝關節屈 / 伸自由度為 1；⑤ 腳關節的跖趾關節自由度為 1。

表 1 人體下肢運動生物力學屬性

由於人體的關節十分複雜，所以導致外骨骼的運動不能和人體關節的運動完全一致。過於簡單的關節設計又會使運動一致性過低，且導致不必要的人機交互力；而過於複雜的外骨骼關節設計又會增加系統的複雜度，降低人機交互過程中整個系統的穩定性和可靠性。除此之外，人體的下肢結構決定了其是一個極其複雜的運動冗餘系統，故而想要設計完全匹配人體下肢關節的外骨骼系統是不可能的。

在機械設計中，為了使外骨骼能夠適應不同人體尺寸，用於非軍用的外骨骼系統適用範圍應該覆蓋 5% 的女性至 95% 的男性。

4 結束語

本文首先對外骨骼的概念及發展歷程進行了詳細闡述；進而提煉出外骨骼機器人在發展應用中的主要類別。其次，對外骨骼發展的國內外研究現狀進行了詳細的對比、分類及總結；同時指出了目前外骨骼發展中的關鍵技術問題。再次，本文對複雜混合人機模型、人體運動意圖識別、行走模式產生、物理人機交互、人因功效學設計等關鍵技術方面進行了詳細的分析與論證。

參考文獻

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[2] Y. Sankai. HAL: hybrid assistive limb based on cybernics. Springer Robotics Reasearch, 2010(66): 25-34.

[3] Y. Sankai. Leading edge of cybernics: robot suit HAL. SICE-ICASE, International Joint Conference, 2006. 1-2.

[4] H. Kazerooni, J. L. Racine, L. huang, R. Steger. On the control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX). International Conference on Robotics and Automation, 2005. 4353-4360.

[5] A. Esquenazi, M. Talaty, A. Packel, M. Saulino. The Rewalk powered exoskeleton to restore ambulatory function to individuals with thoracic-level motor-complete spinal cord injury. American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, 2012, 91(11): 911-921.

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[7] A. Hutan, D. Ara, A. Thanos. Autobionics: a new paradigm in regenerative medicine and surgery. Regeneative Medicine, 2010, 5(2): 279-288.

[8] 陳峰 . 可穿戴型助力機器人技術研究 [D]. 中國科學技術大學 , 2006.

[9] 牛彬 . 可穿戴式的下肢步行外骨骼控制機理研究與實現 [D]. 浙江大學 , 2006.

[10] 張傑 . 腦卒中癱瘓下肢外骨骼康復機器人的研究 [D]. 浙江大學 , 2007.

作者介紹：程洪

電子科技大學教授，博士生導師，機器人研究中心執行主任。IEEE 高級會員，四川省醫學會第一屆醫用機器人和醫學智能化專業委員會副主任委員。2010 年獲教育部新世紀優秀人才計劃，2013 年成為四川省千人計劃特聘專家，2015 年所帶領團隊獲外骨骼機器人四川省青年科技創新研究團隊。主持和完成國家自然科學基金 5 項，其中聯合重點支持項目 1 項、面上項目 3 項及國家「863」「973」計劃等資助的各類科研項目，取得多項創造性成果。申請國家發明專利 80 項，授權 28 項，其中針對外骨骼系統取得 14 項授權。

作者介紹：林西川

電子科技大機器人研究中心副教授，碩士生導師。四川省醫學會第一屆醫用機器人和醫學智能化專業委員會委員。目前承擔國家自然科學基金 1 項、四川省科技廳科技支撐項目 1 項。在國際期刊及國際會議上發表論文 30 余篇。申請國家發明專利 12 項，其中已獲授權 4 項。自 2012 年，作為核心技術骨幹參與開發完成了面向截癱患者的助行外骨骼系統，目前該系統已經進入臨床測試階段。

作者介紹：孫富春

清華大學計算機科學與技術系教授，博士生導師，清華大學學術委員會委員，計算機科學與技術系學術委員會主任，智能技術與系統國家重點實驗室常務副主任，兼任「十一五」和「十二五」國家「863」計劃專家組成員，國家自然基金委重大研究計劃「視聽覺信息的認知計算」指導專家組成員。

作者介紹：邱靜

電子科技大學機電學院副教授，碩士生導師。近 5 年承擔國家自然科學基金青年基金1 項，參與四川省科技支撐項目 1 項、面上項目 1 項。發表論文 20 余篇，申請國家發明專利 8 項，授權 3 項。

作者介紹：劉華平

清華大學計算機系副教授，博士生導師。IEEE 高級會員。近 5 年完成國家自然科學基金項目 2 項，目前承擔在研國家自然科學基金面上項目 1 項、重點項目 1 項。承擔「863」計劃機器人方面軍口課題 2 項，獲「十二五」、「863」計劃「青年創新之星」稱號。在國際期刊上發表論文 50 余篇，論文引用超過 1 700 次。

作者介紹：黃瑞