国外下肢助力外骨骼研究现状

通常人们将第一款外骨骼产品问世的时间定格为 20 世纪 60 年代，1965 年，

在美国国防部的支持下，通用电气研发了一款外骨骼样机——哈迪曼，该外骨骼 为全身外骨骼，旨在让穿戴者可以抬起达 682kg 的重物。然而直到 1970 年，只 有一只手臂在给定指令的情况下可以抬起约 341kg 的重物，此时该外骨骼自身的 重量已经达到 750kg[9, 32, 33]。对于该款外骨骼而言，下肢主要起支撑作用。受限 于当时的计算机处理速度、传感器技术以及执行器设计等核心技术，直到进入 21 世纪，可以由人穿戴并实现助力或康复训练的外骨骼才陆续出现。

(a) XOS 外骨骼 (b) XOS2 外骨骼 (c) XOS 下肢助力外骨骼 图 1.3 美国雷神公司（Raytheon）系列外骨骼

浙江大学博士学位论文 第 1 章 绪论

在 DARPA 的资助下，分别有三家从事外骨骼研究的公司先后推出样机，第 一家是 Sarcos 公司，该公司从 2000 年就开始研制针对士兵助力的全身外骨骼 XOS，如图 1.3。该外骨骼允许穿戴者提起 200 磅的重物，甚至允许穿戴者做出 快速击球的动作，由此可见该外骨骼的助力性能及对人体运动意图识别和快速跟 随能力。美国雷神（Raytheon）公司于 2010 年收购了 Sarcos，并在原来外骨骼基 础上改进了 XOS，推出了 XOS2。该外骨骼含有多达 30 个液压执行器及传感器，

目前，该外骨骼还需要依靠外部能源进行供电，这限制了它的进一步应用^[34]。雷 神公司在进行全身助力外骨骼研发的同时，还推出了主要面向战场应用的下肢助 力外骨骼。

第二家受 DARPA 资助的是美国加州大学伯克利分校，2004 年 Kazerooni 教 授带领团队成功研发出第一款可独立携带能源并可穿戴的下肢助力外骨骼——

BLEEX（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton）。BLEEX 由背架、两个金属机械 腿及液压系统组成，重约 100 磅，如图 1.4。机械腿的结构以仿生设计作为准则，

其中髋关节和踝关节有三个自由度、膝关节只有一个自由度。由于人在行进时的 运动主要在矢状面内，同时为了降低系统功耗，BLEEX 的每个机械腿只有矢状 面内的三个自由度采用液压驱动，其余自由度是被动自由度^[35-37]。试验表明，

BLEEX 可以在负重 35kg 时，以 1.3m/s 的速度便捷行走^{[38, 39]}。

(a) BLEEX (b) ExoHiker (c) eLegs 图 1.4 加州大学伯克利分校研制的外骨骼

继 BLEEX 研制成功后，Kazerooni 及其他相关研发工程师成立了 Ekso Bionics 公司，该公司将外骨骼技术转向民用，研发出了 ExoHiker、eLegs 等下肢外骨骼，

其中 ExoHiker 主要用于民间的长时间负重行走，该外骨骼在自身重量、功耗及负 重能力等方面都尽心了优化升级^[40]；eLegs 主要用于帮助下肢失去行动能力的截 瘫患者或者下肢肌无力患者重新站立起来，从目前公布的资料可知，美国大约有 15 家康复中心已经开始使用该外骨骼，每套约 14 万美金^{[41, 42]}。2016 年 10 月 21 日，世界机器人大会在北京召开，Kazerooni 教授做了主题报告，介绍了下肢外骨 骼在助老助残领域的衍生产品 Phoneix，并希望可以在中国进行市场推广。

HULC 是在 BLEEX 基础上，由洛克希德.马丁公司研制的新一代陆军负重外 骨骼，整套系统由钛合金制成的机械腿、液压驱动装置、控制计算机及背部的负 重部分、散热单元等组成，如图 1.5。据马丁公司宣称，HULC 在负重 100kg 的 时候，穿戴者几乎感觉不到任何负重。其动力源是锂聚合物电池，且总重量为 3.6kg。一次性充满电后，能够在负重 90kg 时，以 4.8km/h 速度不间断运行一小 时。HULC 已经完成了多项测试，并投入过战场进行测试评估，穿戴 HULC 后，

士兵不仅可以提高负重能力，还可以做下蹲射击或奔跑等复杂动作，是目前最接 近实用的下肢外骨骼^[43]。

(a) HULC 军用外骨骼 (b) Fortis 民用外骨骼 图 1.5 洛克希德.马丁公司研制的外骨骼

Fortis Exoskeleton 是洛克希德.马丁公司为美国的海豹突击队设计的另外一款

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外骨骼，该外骨骼不需要驱动机构，主要用于帮助工作人员举起沉重的装备，例 如各种工具或枪械武器。该外骨骼首先通过精细的计算，再加上设计时充分考虑 了人体工程学，最终实现了在不影响人体操作的便捷灵活下，将穿戴者身上所背 负、举起的重量分散转移到地面上，节省了工人体力，有效降低了工人肌肉损伤 的概率。经测试，它至少可以承载约 16kg 的重量^[44]。

第三家受 DARPA 资助的是美国麻省理工学院（MIT），他们针对需要背负重 物的士兵等对象，研发了一款下肢准被动式外骨骼，关节由弹簧储能机构和变阻 尼器进行驱动，踝关节利用碳纤维弹簧缓冲脚后跟着地时的冲击力。该外骨骼自 重约 11.8kg，需要携带 48v 的电池背包。经过测试，尽管穿戴该外骨骼时，穿戴 者背部负重的感觉明显减轻，但是却需要多消耗 10%的耗氧量^{[45, 46]}。

作为一款由电机驱动的全身外骨骼，Body Extender 隶属于意大利国防部

“PRN”项目和欧盟“ECHORD”项目，于 2011 年，由意大利的 PERCRO 实验 室研发完成，如图 1.7（b）。该外骨骼由 22 个自由度构成，供电方式分为两种：

一种可以选择外部供电，适合场地内作业；另一种是采用电池供电，适合移动作 业。Body Extender 的一个显著特点是采用 EtherCat 工业总线来搭建整个外骨骼的 控制网络，既保证了系统信号传输的实时性，又有效减少了引线的数量，提高了 系统的稳定性和可靠性^[47-49]。

尽管 Body Extender 存在很多优点，但是其也存在一些缺点。从外观来讲，

显得非常庞大臃肿，限制了其应用范围，而且其整机重量达到了 160kg；其次是 由于 Body Extender 在设计时其关节速度都低于人体步行常规速度，因此穿戴者 在穿戴后，无法以正常行走速度前进；另外，其人机之间的交互力也需要进一步 减小，进一步完善控制系统。

(a) 下肢助力外骨骼 (b) 全身助力外骨骼

图 1.6 法国 HERCULE 系列外骨骼

旨在使穿戴者能够轻松携带重物、防护器具等的“大力神”（HERCULE）协 同可穿戴式外骨骼，最早于 2011 年 10 月的巴黎“2011 年国际军警保安器材展”

（MILIPOL）上由法国某防务公司展出，其是在与法国武器装备总署的联合下研 制成功，如图 1.6。该外骨骼主要由机械腿和背部支撑架组成，使穿戴者能够轻 松背负重物，其中机械腿结合有机械装置、计算机和电子装置等。该外骨骼还可 以装配机械臂，以使穿戴者能够搬运重物^[50-52]。HERCULE 已经研制两个版本：

下肢版，主要用于战场，结构采用了准拟人化仿生设计；全身版，主要用于后勤 服务，结构采用了非拟人化设计。作为外骨骼的核心技术是自动探测穿戴者的肢 体运动，并且根据运动意图驱动外骨骼运动，“大力神”外骨骼创新性地采用了 无线电控制，在负载 100kg 时，该外骨骼配备的电池可允许穿戴者以 4km/h 的速 度前进估计 20km。

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(a) MIT 准被动外骨骼 (b) Body Extender (c) 神奈川气动外骨骼

(d) HEXAR (e) 东京农工大助力外骨骼 图 1.7 其他助力外骨骼

随着下肢助力外骨骼研发样机的不断问世，其应用领域也被不断拓展。2009 年，日本东京农工大学研发了一款全身外骨骼，主要用来帮助穿戴者进行农业劳 作，减轻劳动负担。该外骨骼总共有 10 个关节，下肢主要集中在髋关节、膝关 节和踝关节。该外骨骼总重达 30kg，尽管穿戴时间仅需要五分钟，但是一个人进 行穿戴还是比较困难的^[53]。

2000 年，日本神奈川理工学院研制了一款主要用于医院护士搬运和移动病人 的全身外骨骼，该外骨骼采用微型旋转气动驱动器，分别布置在肩部、腕部和腿 部，可以轻松搬运 85kg 的病人^[54]，但是气动外骨骼难免会受到气源的限制。

2015 年，韩国汉阳大学研发一款电机驱动的下肢助力外骨骼 HEXAR-50，该 款外骨骼单腿有 7 个自由度，其中髋关节 3 个，膝关节 1 个，踝关节 3 个，主要 用来帮助穿戴者承担负载，该外骨骼最多可以提起约 40kg 重的重物^[55]。