面向上肢的外骨骼驱动器综述

丁志远 方礼贤 陈浩 任雨菲 杨雨昕

摘 要：首先阐述了上肢外骨骼研究的背景和意义；接着总结了国内外上肢外骨骼的研究现状，分析了几种典型的上肢外骨骼助力器的特性和功能；然后从机构设计和驱动设计两方面分析了上肢外骨骼机器人的设计要点，再以弹性驱动器为例介绍了仿生驱动器的概念；最后结合人工智能技术，对上肢外骨骼的发展前景进行了展望。

关键词：仿生驱动器；上肢外骨骼；机器人

中图分类号：TP24 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）19-0035-04

Abstract： Firstly， the background and significance of upper limb exoskeleton research are described， the research status of upper limb exoskeleton at home and abroad is summarized， and the characteristics and functions of several typical upper limb exoskeleton boosters are analyzed. Then， the design key points of the upper limb exoskeleton robot are analyzed from two aspects of mechanism design and drive design， and the concept of bionic driver is introduced by taking the elastic driver as an example. Finally， using artificial intelligence technology， the development prospect of upper limb exoskeleton is prospected.

Keywords： bionic driver； upper limb exoskeleton； robot

引言

随着医疗技术的进步和物质的丰富，人类的平均寿命在不断延长，人口老龄化在加剧，老年人的健康渐渐成为社会关注的热点。在威胁老年人健康的众多疾病中，中风因其高发病率、高死亡率和高复发率成为了最具威胁的一种。医疗科技的进步使得中风的死亡率大幅下降，偏瘫后遗症[1]患者数目却无可避免地在增加。临床试验证明，除了手术和药物治疗外，康复运动训练有助于偏瘫患者在大脑中枢与肢体运动控制之间重新建立有效联系[2]。

1 国内外研究现状

上肢外骨骼驱动器首次受到科研人员关注可追溯到上世界60年代至70年代，一直到20世纪的80年代，上肢驱动器的研究一直停留在起步阶段。随后，越来越多的科研工作者积极投身于这个领域，到20世纪90年代，该领域的研究正式进入全面发展阶段。

1.1 国外研究现状

2006年，University of Washington设计出了一种由电机-缆绳-滑轮驱动的上肢康复机器人CADEN-7（Cable-Actuated Dexterous Exoskeleton for Neurorehabilitation），如图1所示。该驱动器基于人体工学设计，能够对肩、肘以及腕三个关节进行康复训练[3]。

美國Arizona State University的Thomas Sugar等人设计一种以气动肌肉作为动力驱动的康复机器人RUPERT（Robot Upper Extremity Repetitive Therapy Device），如图2所示。第一代RUPERT能够对肩、肘以及腕三个关节的四个自由度进行康复训练，但因为气动肌肉只能提供单方向的动力，因此关节往复运动中的返程运动仍需手工外力进行干预；第二代的RUPERT相较于第一代，在整体结构上实现了改良，面向体征不同的患者，设计了能够将关节中心和上肢臂长进行调整的构件；第三代采用了新型石墨复合材料，使结构更为轻便；到第四代，通过安装在机器臂上角位移、力矩和压力这三个传感器检测运动状态，能够精确控制和记录训练参数，实现训练的优化[4]。

日本的筑波大学所开发的HAL系列[5]是目前世界上较成功的商品化康复机器人。其本质是一种与身体捆绑的行走用机器人。当使用者试图行走时，大脑会通过肌肉电流信号（EMG），体表传感器检测到这种电信号之后，激活HAL的伺服系统，以此增强行走的强度和抗干扰性。

1.2 国内研究现状

我国在此领域的研究起步较晚，且大多数为学校等科研机构，进行相关研究的企业很少。近年来，经过科研工作者的不断努力，我国也研究出一系列具有价值的上肢外骨骼康复训练机器人。

上海交通大学的研究人员设计了两代上肢机器人外骨骼，如图4所示。该机构围绕人体上肢运动学进行设计，能够模拟上肢的七个自由度运动，实现有效助力。

华中科技大学研究人员提出了一种以气动肌肉作为动力的上肢外骨骼机器人[7]，如图5所示。采用气动肌肉作为动力源，能够使输出和辅助矫正更加柔和，避免了刚性康复外骨骼对患者的二次伤害，同时气动动力满足了康复训练所需要的强度。

哈尔滨工业大学的研究项目以心肺复苏为主，康复训练为辅，选用电机作为动力源，设计出一种基于肌电流信号的上肢助力驱动器[8]，如图6所示。采用电机驱动的上肢康复机器人能够在完成康复训练中往返运动的同时，保证运动的高精度。同时电机也方便采集记录电机角度，对康复运动的过程实现反馈，具有效率高、污染小和高精度的特点。

2 上肢外骨骼驱动器的设计

2.1 上肢外骨骼的结构设计

结合国内外研究现状可知，大多数上肢助力机器人以康复领域的外骨骼为主，驱动功率低，驱动数量更少。但因其特殊的医疗康复使用工况，因此其设计不仅要满足机械设计要求，也要满足医疗设备的设计使用需求，具体要求包括：（1）安全性；（2）运动功能性；（3）结构性要求；（4）康复效果和舒适性。

外骨骼助力器要想实现康复训练过程的舒适性，就必须从人体的生物学出发，全面地对肢体各个部分的运动范围和运动特点进行分析，尽可能使所设计的外骨骼更符合人体结构，从而使使用者穿戴安全舒适、动作灵活不受限制。因此，外骨骼的机构设计需满足以下几点：（1）外骨骼应可能遵循仿生原则，在尺寸、参数方面需参考人体；（2）上肢外骨骼的各个关节都应对应人体相应关节，如图7人体上肢解剖图所示；（3）外骨骼要保证有一定的运动范围，既能保证不限制人体运动，又能确保动作的安全。

2.2 上肢外骨骼的驱动设计

当下大多数机器人都采用液压、气压、电机这三种动力供应方式或混合动力供应。

2.2.1 液压驱动

液压驱动的工作原理为由液压缸对液体增压，使机械能转化为压力，再由液压缸对外做功。它的优点是力矩大、精度高和响应快，多用于大型起重设备。但也存在液压油易泄露、对工况要求高以及整体结构笨重的缺点，因此不适用与穿戴型上肢外骨骼机器人，多用于大型外骨骼设备。

2.2.2 气压驱动

气壓驱动的工作原理与液压驱动类似，因为需要配备气源对气体进行压缩，故系统在运行过程中存在噪音大和稳定性差的缺陷，因此也不适用大多数穿戴型上肢外骨骼。

2.2.3 电机驱动

电机驱动只需要购买电源和电机，电机购买、使用、控制和参数反馈都更为便捷。污染小、信号传递简单以及结构轻便，使得电机成为了在设计上肢外骨骼机器人的首选。商品化最成功的的日本筑波大学外骨骼机器人HAL系列便是采用了电机驱动系统。

2.3 弹性驱动设计

目前国内的研究大多实现了上肢外骨骼助力器安全和小体积的需求，越来越多的研究人员将目光转移到外骨骼舒适度特性上。

要想达到最佳的康复效果，需要使康复系统的力学性能达到最优，其力学特性也要尽量接近人体肌肉的力学特性，这种力学特性包括柔性的抗冲击能力和刚性的输出负载能力。传统刚性驱动器具有出色的位置控制和速度控制，弹性驱动器正是在传统驱动器中引入弹性元件而设计（如图8所示）。电机仿生人体骨骼作为刚性输出，弹性元件模拟肌肉作对外来负载的缓冲，最大程度的达到了仿生的效果。

3 结束语

外骨骼机器人在军事、生活和医疗等领域拥有着广阔的发展前景，逐渐引起了各界的重视，近年来随着高校等机构投入的增加，诸如柔性安全、噪音和舒适度差等技术难题都得到了突破性的进展，但仍有很多问题亟待解决：（1）商品化康复机器人体积笨重、造价昂贵，很难进入平民化医疗水平；（2）外骨骼的能源利用效率转化率较低；（3）与使用者预期的运动拟合度不高；（4）外骨骼机器人自适应能力较弱，无法进行自学习。人工智能技术的兴起，或许在不久的将来就能够将智能技术嵌入上肢外骨骼机器人之中。通过深度学习技术对外骨骼运动的参数进行分析并预测，或可加强外骨骼机器人的自学习能力。

随着科技的进步和社会的重视，上肢外骨骼将广泛应用于社会的各个方面。

参考文献：

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[3]Perry J C， Rosen J， Member， et al. Upper-Limb Powered Exoskeleton Design[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2007，12（4）：408-417.

[4]Balasubramanian S， Wei R， Perez M， et al. RUPERT： An exoskeleton robot for assisting rehabilitation of arm functions[C]// Virtual Rehabilitation， 2008. IEEE， 2008.

[5]Hayashi T， Kawamoto H， Sankai Y. Control method of robot suit HAL working as operator's muscle using biological and dynamical information[C]// Intelligent Robots and Systems， 2005. （IROS 2005）.2005 IEEE/RSJ International Conference on. IEEE， 2005.

[6]王源.外骨骼上肢机器人运动康复虚拟现实训练与评价研究[D].上海交通大学.

[7]吴军.上肢康复机器人及相关控制问题研究[D].华中科技大学.

[8]陈燕燕.上肢外骨骼机器人康复训练系统研究[D].哈尔滨工业大学.

[9]Zoss A B， Kazerooni H， Chu A. Biomechanical design of the Berkeley lower extremity exoskeleton（BLEEX）[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2006，11（2）：128-138.

[10]Bekey G A. Springer Handbook of Robotics （B. Siciliano and O. Khatib； 2008） [Book Review][J]. Robotics & Automation Magazine IEEE， 2008，15（3）：110-110.