·880· 智能系统学报 第13卷 梯或转弯，则其下肢各关节的功率就会发生较大 将旋转液压驱动器直接安装在设备的主动关节 变化。 上，发展了与伯克利外骨骼类似的液压驱动外 骨骼的技术。 2助力外骨骼 控制上XOR通过使用者足部的足底压力传 助力外骨骼面向正常人，能够使其自身完成 感器来判断步态，并利用人机间的力传感信息来 难以完成的劳动或者能够减轻其劳动强度，延长 实现“让路”控制策略。 劳动时间。 萨克斯外骨骼的结构总质量为84kg,使用者 2.1全下肢辅助的助力外骨骼 可以在单腿站立时背一个人，以1.6s的速度行走 全下肢辅助的下肢外骨骼能够同时为下肢 时背负64kg、胳膊上放23kg的重物，可以穿过 3个关节提供辅助，是一种传统的下肢助力外骨 23cm深的泥浆，允许使用者转身、蹲下和跪下60。 骼的设计思路。其特点是全刚性结构，且多应用 2.1.3 HAL(hybrid assistive leg) 传统运动学传感器（编码器、电位计以及加速度 覆盖全身的外骨骼HAL对应人体髋关节和 计等)提供传感信息，并且大多应用脚底压力传 膝关节的弯曲/伸展方向的关节由安装在关节上 感器作为步态划分的依据。在控制上，使用以位 的谐波直流电机驱动21（见图4）。踝关节的弯曲/ 控为主的力位混合控制策略，能够在理解人体运 伸展方向的自由度是被动的。HAL通过腰带，套 动意图的基础上，提供人体随动辅助。 在小腿和大腿上的绑带和带有地面反力传感器的 2.1.1伯克利外骨骼(BLEEX) 鞋子与使用者连接。HAL在结构上与上述外骨 BLEEX是世界上第1台能源自给的助力外 骼的区别在于HAL无法将机器重力传递给地面， 骨骼u。BLEEX在髋关节上有3个自由度，膝关 仅仅增强髋膝踝关节上的力矩。 节上有1个自由度，踝关节上有3个自由度。其中， 下肢3个关节的弯曲/伸展以及髋关节的外展/内 收是由液压驱动器提供助力的主动自由度。其余 自由度均为被动自由度，其中踝关节的外翻/内翻 和髋关节的旋转自由度由弹簧承载 从控制上，BLEEX将人机交互的传感信息的 作用降到最小，主要利用外骨骼的传感信息进行 控制。和双足机器人相似，这台外骨骼可以自我 (a)BLEEX)(b)XoRI(C)护士辅助外骨酪2网 平衡，但是其使用者必须在行走时为其提供一个 向前的引导力。该控制系统利用8个编码器和 驱动平台 16个线性加速度计来测量8个主动关节的角度、 关节 角速度和角加速度；每只脚用脚踏开关和负载分 布传感器来测量在站立相中地面反馈的力和两脚 踝关节 间的力的分布；利用8个单轴力传感器来控制每 个驱动器输出的力；并且考虑到重力的影响，用 (d)BE(Body (e)HALI211 ()哈佛soft exosuit!2 一个倾角仪来测量背包的方位 Extender)527 BLEEX的运动学和动力需求的分析以及实 图4全下肢辅助助力外骨骼 验验证根据一个75kg的成年人行走的临床步态 Fig.4 Whole lower-limb exoskeleton 数据进行2-1。根据相关实验，BLEEX的使用者 HAL通过放置以人体大腿上的两个肌电信 可以在搬运上限为75kg的重物时以0.9m/s的速 号电极，用于测量关节角度的电位器，地面反作 度行走，而在没有负载的情况下能以1.3m/s的速 用力传感器和测量躯干姿势的陀螺仪和加速度计 度行走。改进后的第2代伯克利外骨骼由于实现 来感知人体运动状态，从而控制外骨骼辅助人体 了电驱动和液压变速系统，整机质量是原设备质 运动。 量的一半（约14kg。 实验表明HAL能够增强人用手臂抬起重物 2.1.2萨克斯(Sarcos)外骨骼 的能力。HAL的使用者可以用手臂拾起最大40kg 萨克斯研究公司在DARPA EHPA项目下设 的重物，并且可以令使用者的承受“腿部压力”的 计的覆盖全身的“可穿戴能源自给机器人(XoR)” 能力从100kg增加到180kg。梯或转弯，则其下肢各关节的功率就会发生较大 变化。 2 助力外骨骼 助力外骨骼面向正常人，能够使其自身完成 难以完成的劳动或者能够减轻其劳动强度，延长 劳动时间。 2.1 全下肢辅助的助力外骨骼 全下肢辅助的下肢外骨骼能够同时为下肢 3 个关节提供辅助，是一种传统的下肢助力外骨 骼的设计思路。其特点是全刚性结构，且多应用 传统运动学传感器 (编码器、电位计以及加速度 计等) 提供传感信息[10] ，并且大多应用脚底压力传 感器作为步态划分的依据。在控制上，使用以位 控为主的力位混合控制策略，能够在理解人体运 动意图的基础上，提供人体随动辅助。 2.1.1 伯克利外骨骼 (BLEEX) BLEEX 是世界上第 1 台能源自给的助力外 骨骼[11]。BLEEX 在髋关节上有 3 个自由度，膝关 节上有 1 个自由度，踝关节上有 3 个自由度。其中， 下肢 3 个关节的弯曲/伸展以及髋关节的外展/内 收是由液压驱动器提供助力的主动自由度。其余 自由度均为被动自由度，其中踝关节的外翻/内翻 和髋关节的旋转自由度由弹簧承载[12]。 从控制上，BLEEX 将人机交互的传感信息的 作用降到最小，主要利用外骨骼的传感信息进行 控制。和双足机器人相似，这台外骨骼可以自我 平衡，但是其使用者必须在行走时为其提供一个 向前的引导力。该控制系统利用 8 个编码器和 16 个线性加速度计来测量 8 个主动关节的角度、 角速度和角加速度；每只脚用脚踏开关和负载分 布传感器来测量在站立相中地面反馈的力和两脚 间的力的分布；利用 8 个单轴力传感器来控制每 个驱动器输出的力；并且考虑到重力的影响，用 一个倾角仪来测量背包的方位[12-13]。 BLEEX 的运动学和动力需求的分析以及实 验验证根据一个 75 kg 的成年人行走的临床步态 数据进行[12-14]。根据相关实验，BLEEX 的使用者 可以在搬运上限为 75 kg 的重物时以 0.9 m/s 的速 度行走，而在没有负载的情况下能以 1.3 m/s 的速 度行走。改进后的第 2 代伯克利外骨骼由于实现 了电驱动和液压变速系统，整机质量是原设备质 量的一半 (约 14 kg[15] )。 2.1.2 萨克斯 (Sarcos) 外骨骼 萨克斯研究公司在 DARPA EHPA 项目下设 计的覆盖全身的“可穿戴能源自给机器人 (XoR)” 将旋转液压驱动器直接安装在设备的主动关节 上 [16] ，发展了与伯克利外骨骼类似的液压驱动外 骨骼的技术。 控制上 XOR 通过使用者足部的足底压力传 感器来判断步态，并利用人机间的力传感信息来 实现“让路”控制策略。 萨克斯外骨骼的结构总质量为 84 kg，使用者 可以在单腿站立时背一个人，以 1.6 m/s 的速度行走 时背负 64 kg、胳膊上放 23 kg 的重物，可以穿过 23 cm 深的泥浆，允许使用者转身、蹲下和跪下[16-20]。 2.1.3 HAL(hybrid assistive leg) 覆盖全身的外骨骼 HAL 对应人体髋关节和 膝关节的弯曲/伸展方向的关节由安装在关节上 的谐波直流电机驱动[21-22] (见图 4)。踝关节的弯曲/ 伸展方向的自由度是被动的。HAL 通过腰带，套 在小腿和大腿上的绑带和带有地面反力传感器的 鞋子与使用者连接。HAL 在结构上与上述外骨 骼的区别在于 HAL 无法将机器重力传递给地面， 仅仅增强髋膝踝关节上的力矩。 (a) BLEEX[13] (b) XoR[16] (c) 护士辅助外骨骼[24] (d) BE (Body Extender)[25-27] (e) HAL[21] (f) 哈佛 soft exosuit[29] 髋关节 驱动平台 踝关节 图 4 全下肢辅助助力外骨骼 Fig. 4 Whole lower-limb exoskeleton HAL 通过放置以人体大腿上的两个肌电信 号电极，用于测量关节角度的电位器，地面反作 用力传感器和测量躯干姿势的陀螺仪和加速度计 来感知人体运动状态，从而控制外骨骼辅助人体 运动。 实验表明 HAL 能够增强人用手臂抬起重物 的能力。HAL 的使用者可以用手臂抬起最大 40 kg 的重物，并且可以令使用者的承受“腿部压力”的 能力从 100 kg 增加到 180 kg。 ·880· 智 能 系 统 学 报 第 13 卷