第6期 衣淳植，等：下肢外骨骼研究进展及关节运动学解算综述 ·881· 2.1.4护士辅助外骨骼 在控制方面，exosuit采用基于能量的位置控 该款用于协助护士转移病人的外骨骼232的 制策略，当检测到与踝关节功率过零点对应的人 主动自由度由安装在款膝关节弯曲/伸展方向的 体踝关节角速度过零点时，绳索拉伸，通过具有 直驱气动旋转驱动器提供助力。气体的压力由安 弹性的软性材料，拉动踝关节蹬地动作。由于无 装在每个驱动器旁的多个小气泵提供，从而保障 法检测人体关节的能量，因此根据人体踝关节速 该外骨骼的可移动性。该设备在机械机构的设计 度与能量的对应关系，通过放置在鞋上的惯性测 上能够令使用者身前没有任何的机械结构，从而 量单元检测踝关节过零点来判断辅助力输出的 使护理人员能与病人在物理上有直接的接触。 时机。 2.l.5意大利“BE(body extender) 2.2.2日本松下Panasonic suit 该全身型外骨骼25-27总重160kg,具有22个 由日本松下在AWN-03之后推出，重量只有 自由度，每个自由度均采用直流有刷电机驱动， 约13磅”。整机采用碳纤维马达碳纤维材料并 每条腿拥有6个自由度，每只手臂有4个自由度， 采用碳纤维马达提供助力以减轻机器人的重量。 每只手臂前段还有1个自由度的手抓，用于抓取 在穿戴方式上与人体的背部和大腿捆绑连接，并 物体。在手臂平举状态下，每只手臂可以承载 当使用者负重时，感应器会激活马达，但其提供 50kg。在控制方式上，外骨骼和人的5个接触点 助力较小，有效负载仅33磅，只能轻微减少工人 (双手、双脚、躯干)都装有六维力传感器，并在关 劳动疲劳感。 节部位安装角度传感器配合电机编码器，躯干上 2.2.3卡耐基梅隆大学的踝关节助力外骨骼 的加速度计等，使外骨骼能够平滑地跟随人体的 如图5，该外骨骼完全被动，通过与踝关节和 运动。 2.1.6法国RB3D公司的“HERCULE 小腿并联的弹簧来储存人体踝关节在行走过程耗 散的能量，并在适当的时候释放。通过仿真得到 能够帮助穿戴者运送重物的全身外骨骼服 “HERCULE V22I在髋关节和膝关节各有一个 弹簧的最优刚度，从而达到优化人类行走过程中 主动自由度，采用电机驱动，能够辅助使用者上 代谢率的目的3231。该设备利用一个离合器，在 下楼梯、斜坡，或进行蹲下站起动作，并且能够在 摆动相时松开弹簧，在步态周期的其余相位中绷 搬运100kg重物的条件下行走自如。在2013年， 紧弹簧。经试验，使用该设备，人行走消耗的代 RB3D公司推出了针对民用的下肢助力外骨骼 谢率减少了约7.2%。 “HERCULE V3”,质量为30kg,采用锂电池供 电，续航时间4h。 2.2模块化助力外骨骼 随着研究者对下肢各关节不同运动及生物力 学特性认知的加深，自2016年世界各研究机构相 继开展能够根据不同传感信息，为不同关节，根 据其生物学特性提供助力的模块化下肢外骨骼的 研究。与全下肢辅助的助力外骨骼相比，模块化 (a)Panasonic suit(b)卡耐基梅隆大(c)机械膝 助力外骨骼由于其柔软性的结构设计和轻量小型 学被动踝关节助 关节3测 的设计理念，在代谢率的改善以及使用者穿戴舒 力装置网 适性等方面有显著的优势。 图5模块化助力外骨骼 Fig.5 Modularized exoskeleton 2.2.1软性外骨骼机械服“Soft Exosuit' 初代样机采用气动肌肉驱动，以提高柔性并 2.2.4机械膝关节(Roboknee) 降低质量2，总重约9.1kg,能源及控制部分置于 该外骨骼在完成负载搬运任务时能够在膝关 背部。改进版在髋关节和踝关节上均采用伺服电 节处提供助力来辅助操作者爬楼梯和蹲起的单关 机结合钢丝绳传动的方式提供助力，整体结构均 节外骨骼。该设备由连接在大腿和小腿处的线 采用软性布料，能够为人体提供舒适、轻量的辅 性串联弹性执行器(SEA)驱动。控制上，在机器 助，如图40。实验表明，改进后的样机可以在负 与操作者间的相互作用呈物理上的低阻抗时，在 重24kg的条件下，以1.25m/s的速度行走，并能 膝关节处做正功，从而使得该设备在保证操作者 成功降低人体正常行走所消耗新陈代谢量的14.6%。 安全的前提下，获得更高的控制增益。2.1.4 护士辅助外骨骼 该款用于协助护士转移病人的外骨骼[23-24] 的 主动自由度由安装在款膝关节弯曲/伸展方向的 直驱气动旋转驱动器提供助力。气体的压力由安 装在每个驱动器旁的多个小气泵提供，从而保障 该外骨骼的可移动性。该设备在机械机构的设计 上能够令使用者身前没有任何的机械结构，从而 使护理人员能与病人在物理上有直接的接触。 2.1.5 意大利“BE”(body extender) 该全身型外骨骼[25-27] 总重 160 kg，具有 22 个 自由度，每个自由度均采用直流有刷电机驱动， 每条腿拥有 6 个自由度，每只手臂有 4 个自由度， 每只手臂前段还有 1 个自由度的手抓，用于抓取 物体。在手臂平举状态下，每只手臂可以承载 50 kg。在控制方式上，外骨骼和人的 5 个接触点 (双手、双脚、躯干) 都装有六维力传感器，并在关 节部位安装角度传感器配合电机编码器，躯干上 的加速度计等，使外骨骼能够平滑地跟随人体的 运动。 2.1.6 法国 RB3D 公司的“HERCULE” 能够帮助穿戴者运送重物的全身外骨骼服 “HERCULE V2”[28] 在髋关节和膝关节各有一个 主动自由度，采用电机驱动，能够辅助使用者上 下楼梯、斜坡，或进行蹲下/站起动作，并且能够在 搬运 100 kg 重物的条件下行走自如。在 2013 年， RB3D 公司推出了针对民用的下肢助力外骨骼 “HERCULE V3”，质量为 30 kg，采用锂电池供 电，续航时间 4 h。 2.2 模块化助力外骨骼 随着研究者对下肢各关节不同运动及生物力 学特性认知的加深，自 2016 年世界各研究机构相 继开展能够根据不同传感信息，为不同关节，根 据其生物学特性提供助力的模块化下肢外骨骼的 研究。与全下肢辅助的助力外骨骼相比，模块化 助力外骨骼由于其柔软性的结构设计和轻量小型 的设计理念，在代谢率的改善以及使用者穿戴舒 适性等方面有显著的优势。 2.2.1 软性外骨骼机械服“Soft Exosuit” 初代样机采用气动肌肉驱动，以提高柔性并 降低质量[29] ，总重约 9.1 kg，能源及控制部分置于 背部。改进版在髋关节和踝关节上均采用伺服电 机结合钢丝绳传动的方式提供助力，整体结构均 采用软性布料，能够为人体提供舒适、轻量的辅 助，如图 4 [30]。实验表明，改进后的样机可以在负 重 24 kg 的条件下，以 1.25 m/s 的速度行走，并能 成功降低人体正常行走所消耗新陈代谢量的 14.6%。 在控制方面，exosuit 采用基于能量的位置控 制策略，当检测到与踝关节功率过零点对应的人 体踝关节角速度过零点时，绳索拉伸，通过具有 弹性的软性材料，拉动踝关节蹬地动作。由于无 法检测人体关节的能量，因此根据人体踝关节速 度与能量的对应关系，通过放置在鞋上的惯性测 量单元检测踝关节过零点来判断辅助力输出的 时机。 2.2.2 日本松下 Panasonic suit 由日本松下在 AWN-03 之后推出，重量只有 约 13 磅 [31]。整机采用碳纤维马达碳纤维材料并 采用碳纤维马达提供助力以减轻机器人的重量。 在穿戴方式上与人体的背部和大腿捆绑连接，并 当使用者负重时，感应器会激活马达，但其提供 助力较小，有效负载仅 33 磅，只能轻微减少工人 劳动疲劳感。 2.2.3 卡耐基梅隆大学的踝关节助力外骨骼 如图 5，该外骨骼完全被动，通过与踝关节和 小腿并联的弹簧来储存人体踝关节在行走过程耗 散的能量，并在适当的时候释放。通过仿真得到 弹簧的最优刚度，从而达到优化人类行走过程中 代谢率的目的[32-33]。该设备利用一个离合器，在 摆动相时松开弹簧，在步态周期的其余相位中绷 紧弹簧。经试验，使用该设备，人行走消耗的代 谢率减少了约 7.2%。 (a) Panasonic suit[31] (b) 卡耐基梅隆大 学被动踝关节助 力装置[32] (c) 机械膝 关节[34] 图 5 模块化助力外骨骼 Fig. 5 Modularized exoskeleton 2.2.4 机械膝关节 (Roboknee) 该外骨骼在完成负载搬运任务时能够在膝关 节处提供助力来辅助操作者爬楼梯和蹲起的单关 节外骨骼[34]。该设备由连接在大腿和小腿处的线 性串联弹性执行器 (SEA) 驱动。控制上，在机器 与操作者间的相互作用呈物理上的低阻抗时，在 膝关节处做正功，从而使得该设备在保证操作者 安全的前提下，获得更高的控制增益。 第 6 期 衣淳植，等：下肢外骨骼研究进展及关节运动学解算综述 ·881·