西南交通大学 611756
【文章摘要】
外骨骼机器人实质上是一种可以穿戴的机器人，它将人的智能与外部机械设备的机械能结合在一起，可以给人提供额外的动力和能力，从而增强人体机能。本文总结了外骨骼机器人技术的起源、研究进展，并结合当前研究方向展望了外骨骼机器人在未来社会中所发挥的不可替代的功用。
【关键词】
外骨骼机器人；可穿戴；智能机械
0 前言
外骨骼的概念最初起源于生物学， 是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构，比如保护昆虫免受伤害的外壳。人类受此启发便开始了人体机械外骨骼的仿生学研究，并逐步研制出了外骨骼机器人。外骨骼机器人技术通过能源装置提供动力，机械传动系统及控制测试系统保证人体动作与机械之间实现协调配合，从而使人体的力量成倍增加。外骨骼机器人的作用是将外部动力机械和人体实现完美的融合，从而帮助人出色地完成各种动作、并提高工作效率。
1 外骨骼机器人的起源
机械外骨骼系统的研究最早始于20 世纪60 年代，1966 年美国通用公司提出了哈德曼助力机器人的设想，该装置主要采用电机驱动控制，可以轻而易举的举起几十千克的重物。由于受当时科技水平的限制，哈德曼机器人的研究最终以失败告终，但它对后来外骨骼机器人技术的研究和开发起到了不可替代的引导作用。
2 外骨骼机器人的研究现状
自哈德曼助力机器人设想的提出到今天的发展进程，目前外骨骼机器人技术仍处于研发阶段，距离实际运用还有一定的距离。虽然很多国家对于外骨骼机器人技术的研究都给予大力支持和关注，但只有日本、美国、以色列等一些西方发达国家在人体体外骨骼技术的开发与应用中取得了初步成果。而在我国，这方便的研究尚处于起步阶段。
2.1 国外外骨骼机器人研究进展
由于外骨骼机器人受力部位主要在下肢，目前国际上对下肢外骨骼机器人研究的比较多，下肢外骨骼技术相对上肢也比较成熟。下面简单介绍外骨骼技术研究比较早，技术开发水平比较先进的几个主要国家的研究进展。
2.1.1 美军Raytheon Sarcos XOS 人体外骨骼。XOS 外骨骼是为了创造出
“超人”士兵，由美国国防部高等研究计划局（DARPA）提供了1000 万美元的军事研发预算，经过7 年秘密研发出来的，代表了目前外骨骼机器人领域最尖端的技术。它的控制思想同早期的BLEEX 一样， 控制系统通过检测系统和微机系统判断人的下个动作，从而决定加给人体多大的助力及速度。XOS 动作较以前的外骨骼设备动作要敏捷的多，结构更加为稳定，技术服役性能更加成熟。
2.1.2 以色列ReWalk 外骨骼机器人。该机器人通过一副拐杖帮助维持身体平衡，由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成，背包内有一个计算机控制盒以及可再充电的蓄电池。使用者可以用遥控腰带选定某种设置，如站、坐、走、爬等，然后向前倾，激活身体感应器，使机械腿处于运动之中。动力传动采用电机- 减速器- 外骨骼机构的方法，运动模式主要是装置带动人体动作。 ReWalk 外骨骼机器人主要目的是用来帮助瘫痪者恢复行走能力。
2.1.3 日本筑波大学研发的
“HAL3” 外骨骼机器人。其功能是帮助人完成行走、起立、坐下等下肢动作。“HAL3”机器人主要由无线LAN 系统、电池组、电机及减速器、传感器( 地板反应力传感器、表面肌电传感器、角度传感器)、执行机构组成，总重约17 千克。动力传动采用电机- 减速器- 外骨骼机构的方法。能够根据人体的动作意愿自动调整装置的助力大小。其市场规划主要面向高龄护理、残疾人辅助、消防等作业领域。
2.2 国内外骨骼机器人的研究现状
我国对于人体外骨骼机器人的研究尚处于起步阶段，相对于美国等西方发达国家，我国还比较落后，但我国一直在追赶先进脚步。目前国内对外骨骼机器人研究走在前列的有中科院机器人研究所、浙江大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学等科研院所。比如在2013 年度春节联欢晚会上哈尔滨工业大学设计的机器人为观众展示了一场精彩的舞蹈表演。
3 外骨骼机器人前景展望
3.1 外骨骼机器人的研究方向
虽然外骨骼机器人技术具有很广的应用前景，但由于该项技术尚不成熟，目前尚未形成大规模产业。从研究领域看，各个国家对该技术的研究方向侧重有所不同。美国的研究方向主要是军事领域， 日本则更倾向于医疗康复领域。目前国内外对外骨骼机器人的研究又衍生出许多新的研究方向。
3.2 外骨骼机器人技术的应用
外骨骼机器人技术的应用主要分布在以下三大方面：军事、民用、医疗。
3.2.1 军事领域：外骨骼机器人由于能够有效提高单兵作战能力因而具有很强的吸引力。美国政府已投资数百万美元用于研制新一代基于外骨骼机器人技术的单兵作战装置。这套作战外骨骼系统不仅自身具有能源供应装置、能够对人体提供保护功能，而且还集成了大量的作战武器系统和现代化的通讯系统、传感系统及生命维持系统等，从而把一个普通的士兵变成了
“机械超人”。
3.2.2 神经康复领域：康复机器人能够保证高效的康复训练，这使得康复机器人技术成为医工结合的崭新研究领域。特别是康复机器人在人机接口、智能化和控制能力等方面的深入研究使得康复机器人能够更加适合残疾人和老年人的使用。对于时刻需要保持运动锻练的患者而言这将是一个好消息。
3.2.3 民用领域：外骨骼机器人可以使残疾或行动不便的老年人自行护理自己。在我国，由于人口老龄化的逐步到来，外骨骼机器人技术的应用能够显著减轻人口老龄化所带来的社会压力。
4 结束语
随着社会现代化进程的到来，外骨骼机器人技术的应用将会涉及到人类生产生活的各个方面，可以预见，外骨骼机器人技术的发展前景是十分广阔的。但这项技术还面临着一些难题要解决，比如外骨骼机器人的机械系统、控制系统、人体舒适度、运行安全性等的优化设计。但随着能源技术、材料科学技术和控制工程技术的不断发展, 这些难题一定会被逐步解决。
【参考文献】
[1] 李晓明. 基于外骨骼技术的机器人的远程控制. 2004.6
[2] 蔡兆云, 肖湘江. 外骨骼机器人技术研究综述[J]. 国防科技,2007.12
[3] 陈占伏, 杨秀霞, 顾文锦. 下肢外骨骼机械结构的分析与设计[J]. 计算机仿真,2008.8049
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