博士学位论文

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分类号： TP242.2 单位代码： 10335 密级：学号： 11425007

博士学位论文

中文论文题目：液压驱动下肢外骨骼机器人摆动相控制系统

研究

英文论文题目： Control System Research of Hydraulic Driven

Lower Limb Exoskeleton in Swing Phase 申请人姓名：靳兴来

指导教师：朱世强教授/博导合作导师：姚斌教授/博导专业名称：机械电子工程研究方向：机器人运动控制所在学院：机械工程学院

论文提交日期 2017 年 1 月

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液压驱动下肢外骨骼机器人摆动相控制系统研究

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Control System Research of Hydraulic Driven Lower Limb Exoskeleton in Swing Phase

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Date of oral defence：

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浙江大学研究生学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得

浙江大学

或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：签字日期：年月日

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本学位论文作者完全了解

浙江大学

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（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文作者签名：导师签名：

签字日期：年月日签字日期：年月日

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浙江大学博士学位论文致谢

致谢

时光如逝，岁月如流，转眼间在浙大读博的日子即将结束，犹记得当年一个人拎着箱子进入浙大校园的情景。在浙大的点点滴滴将是我一生的财富，期间充满了求知的乐趣，也经历了方向选择时的彷徨和迷茫，但幸运的是在浙大浓厚的学术环境中、在实验室团结向上的氛围中、在朱老师的指引下、在亲人的鼓励支持下，我终于将要完成学业！然而，此时此刻，却不忍说再见。千言难表寸心，

值此论文成稿之际，谨向各位老师、亲友致以诚挚的祝福和衷心的感谢。

导师朱世强教授，修身洁行、为人师表、治学有方。学业上悉心指导，朱老师先后指导实验室在服务机器人、工业机器人以及特种机器人等领域进行研究，

提纲挈领，指引学生快速高效地开展课题；提供广阔的交流平台，朱老师鼓励学生参加行业内的学术论坛、企业展览、国际交流，扩展视野，博采众长。朱老师德艺双馨，一方面对学生进行春风化雨般的教育，润物无声，引导学生道器兼修，

另一方面古道热肠，对学生关怀备至。在读博的这段时间，每次学生家中有困难时，朱老师无论是精神上还是物质上都会给与强有力的支持。师娘杨立忠老师蕙质兰心、和蔼可亲，平日里对学生多有照顾，每逢佳节，又有关怀，温暖如家。

能够有幸得到朱老师与杨老师的指导、关照，学生将感恩于心，拳拳服膺。

导师姚斌教授，独树一帜，治学严谨，开辟非线性自适应鲁棒性控制理论的先河，在控制领域蜚声国内外，分析问题鞭辟入里、培养学生发蒙解缚。姚老师在控制领域学识之精深、学问之严谨，使我受益匪浅。

同时感谢我另一位尊敬的老师，浙江工业大学裴翔老师。裴老师品行正直、

精明强干、亦师亦友。裴老师在液压领域浸淫多年，技艺高超，对于课题中液压系统的设计和平台搭建给与了诸多指导。裴老师在机械设计及加工制造方面也有深厚积累，结构设计上独具匠心，诸多亮点，任何难题在裴老师面前都能迎刃而解。裴老师对于学生指导上兢兢业业、诲人不倦，对于学生生活上嘘寒问暖、关

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怀备至。课题能够得到裴老师的指导也是人生一大幸事。求学过程中还有诸多老师需要感谢，唯恐挂一漏万，在此一并致以最真诚的感谢和祝福。

感谢在百忙之中为我评审论文的专家、老师，正是您们的点评，使我拓宽思路，也使我的论文不断完善。

自本科迄今，先后问道于岳麓山、老和山下，此段求学经历弥足珍贵，除了对诸位老师的感恩之外，也要感谢一路结识的朋友：课题组已毕业的同门师兄弟：

刘松国、王会方、吴剑波、郑东鑫、罗召成、郑凌、马璇、张德盛、赵利军、陈志伟、陈庆诚、毛江平、孟袁龙、潘忠强、向可、王晓波、王伟伟、金星、贺静、

韩信、李渠成、杨波，以及仍在课题组学习的张学群、杜佳玮、陈珊、崔正哲、

王志、李月华、李超、卓颖莉、徐业业、祝义鹏、于亦奇、王彬、胡纪元、姜红建、胡超、许世飞、赵志鹏、金丁灿、朱见平，与诸位师兄弟妹朝夕相处、并肩奋斗的日子，使我在浙大的生活多姿多彩，在此向你们致以诚挚的谢意！也要感谢研究生阶段的诸位好友：朱本正、张春盛、朱吴乐、杨旭、洪啸、方雄、于国强、李晨、舒少龙、韩冬、俞敏、刘奔、王政、张成龙、张登雨、许琳、江捷、

李世通、李科伟、杨鹏、赵厚强、蔺松波等人，感谢你们在学习、生活、工作上给我的帮助，特别要感谢王志，在我的博士课题进展中不断地督促我前行。与诸位朋友相处的日子将是我在浙大生活中最美好的回忆。

最后要感谢我的父母，在求学的道路上不断地给我以鼓励和支持，总是让我尽量少的去承担家里的事情，二老辛勤劳作供我读书，让我真切地感受到父母对孩子的爱是全天下最无私的。也是在二老身上，我看到了中国最传统的农村劳动人民，品行敦厚、吃苦耐劳、勤俭节约...任何美好的修饰词用在他们身上都不过分。每每念及“谁言寸草心，报得三春晖”，总是遗憾、自责于不能尽快孝顺父母。在此祝愿二老、也祝愿天下父母身体健康、平安快乐。同时，要感谢我的姐姐、姐夫，是他们在我跟哥哥都不在父母身边时，承担起了照顾父母的责任，他们不辞辛苦的照顾着父母，即便承受着很多委屈，承受着很多负担和压力。希望子恒、子璇今后能懂得姐姐、姐夫现在的辛苦，长大成材。同样，要感谢我的哥哥，虽然身在军营，身不由己，但是他对父母的照顾从未受到影响，反而是更加

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浙江大学博士学位论文致谢

高标准的要求自己，真正做到了“父母孝、兄弟悌”….凡此种种，姐姐、哥哥都给我做了最好的榜样。在所有要感谢的亲人朋友当中，还有一位是必须要着重提及的，感谢我的嫂子。作为军嫂，家庭的很多事情都落在了她的肩上，非常感谢嫂子对父母无微不至的关怀和照顾；非常感谢嫂子对哥哥生活的关怀备至和对哥哥事业的鼎力支持；也感谢嫂子对我及姐姐一家人的关心、照顾。今后我将用所取得的成绩及实际行动来感谢、感恩这份亲情。

感谢母校浙江大学。今天我以学校为荣，明天学校以我为荣。

靳兴来

二零一七年三月于求是园

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浙江大学博士学位论文摘要

摘要

下肢外骨骼机器人的样机在最近几年不断涌现，目前主要应用在助力及康复训练等领域，其作为典型的人机交互型机器人，涉及机构学、电子技术、计算机技术、控制技术、信息技术、传感技术、人工智能和仿生学等多学科知识。液压驱动下肢外骨骼机器人是一个典型的非线性系统，因此如何实现与穿戴者进行友好的人机交互，充分发挥穿戴者运动的灵活性以及外骨骼设备的耐力将是一个系统研究的课题。

第一章通过广泛的国内外调研发现，阐述了课题研究的背景和意义。

第二章，首先借助于 CAD 辅助设计软件、数值计算方法等工具实现参数的优化选择，并使用 SolidWorks 软件进行了三维绘图；其次设计了液压系统和电控系统，完成了液压驱动下肢外骨骼平台的搭建。

第三章，对摆动腿的运动学、动力学建模，便于设计基于模型的上层控制器；

通过建立单关节液压缸的非线性模型，设计了三种底层力跟踪控制器；针对传统 DLS 方法在解决下肢外骨骼摆动腿雅可比矩阵奇异性问题时所引发的新问题，提出了三种改进方法，并通过 MATLAB 进行了仿真验证。

第四章，首次提出将获取人体运动意图的方法分为两层：第一层主要实现对步态的判别，因此设计了多传感器鞋底；第二层实现对人体运动意图物理信息的获取，在人机之间安装多维力传感器，并且引入导纳模型作为推导人体运动意图的方法，实现人机交互力与人体运动意图物理信号的建模。最后，搭建了人机交互系统摆动相的控制系统，明确了上层控制算法与底层单关节液压缸力跟踪控制器的不同应用点。

第五章，针对下肢外骨骼机器人系统的非线性和系统中不确定因素的干扰，

引入了滑模变结构控制器。为了减小系统稳态跟踪误差，引入了积分滑模面。针对传统的积分滑模面容易引起 Windup 效应，出现超调或执行器饱和，提出了两

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种改进方法。并且采用趋近律的以改善趋近运动的动态品质，最后通过 MATLAB 仿真验证了系统性能。为了改善系统的平滑性，提高系统的鲁棒性，引入模糊系统以逼近干扰力矩，避免了因随意对干扰力进行估值所造成的系统波动。

第六章，考虑到对于复杂的非线性系统，难以获取准确的动力学模型。提出了一种基于单输入的模糊自适应滑模变结构控制器，通过利用模糊系统的逼近特性和自适应控制的强鲁棒性来设计滑模变结构控制器，从而降低控制器对模型的依赖性。

第七章，对论文的主要研究工作进行了总结，并且描述了相关创新点。

关键词：液压驱动下肢外骨骼，结构优化，逆雅克比矩阵，人机交互系统，

多传感器系统，滑模变结构控制，模糊控制，自适应控制

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浙江大学博士学位论文 Abstract

Abstract

In recent years, prototypes of lower limb exoskeleton robot have been developed tremendously and were mainly designed for assistance and medical rehabilitation. As a typical human-machine interactive robot, lower limb exoskeleton is a cross-disciplinary integration including mechanics, electronics, computer science, cybernetics, bionics and other high-tech fields. As hydraulic driven lower limb exoskeleton is also an application of nonlinear system, how to achieve friendly human-machine interaction, which means the exoskeleton can provide maximum force assistance without affecting the flexibility of the wearer, is a systematic research subject.

In chapter I, the background and significance of lower limb exoskeleton robot are introduced based on a large number of state-of-the-art domestic and foreign literature.

In chapter II, the parameters of the system are optimized by CAD (Computer Aided Design) and numerical calculation method and other tools. Then, a three-dimensional model of hydraulic driven lower limb exoskeleton is developed using SolidWorks. Based on the model, hydraulic system and electrical control system are designed to complete the construction of the final lower limb exoskeleton platform.

Kinematic model and dynamic model of the hydraulic driven lower limb exoskeleton are built in chapter III. In the lower controller of the model, three methods are proposed by building nonlinear model of hydraulic cylinder so as to overcome the problems caused by the traditional DLS method when solving the singular problem of the inverse Jacobian matrix in wearable robots. Finally, these methods are verified by MATLAB simulation.

In chapter IV, a novel method is first introduced by this paper where the process of inferring wearer's motion intention is divided into two subsystems. The first subsystem captures the real-time phase of the leg of the lower limb exoskeleton. This function relies on the multi-sensor system in the shoes. In the second subsystem, the

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physical information of the body is obtained by installing multi-axis force sensors installed between wearer and exoskeleton and introducing an admittance model as a motion intention inferring method to form a connection between the wearer and the human-machine interaction force. Finally, an architectural diagram of the overall human-machine interaction system is established to clarify the different effects of the upper and lower controller.

In chapter V, in order to solve the nonlinearity and unknown disturbance of the hydraulic driven lower limb exoskeleton, sliding mode control is introduced. Moreover, integral sliding surface is introduced to decrease the steady-state tracking error.

However, the integral wind-up effect may emerge because of the initial tracking error.

To solve this problem, two methods are proposed in the paper. Reaching law is also introduced to improve the effect of the reaching process. The effect of the controller is verified by MATLAB simulation. To decrease the chattering problem and improve the smoothness, fuzzy logic controller is adopted to approach the disturbance torque.

Comparative experiments are given to demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed approaches.

In chapter VI, considering the difficulty to get the precise dynamic model of the nonlinear robot system, the model-based controller is restricted in hydraulic driven lower limb exoskeleton. Therefore, an improved single input direct adaptive fuzzy sliding mode controller is proposed in this paper, which combines the general approximate characteristic of fuzzy system and strong robustness of adaptive system.

Comparative experiments are given to demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed approach.

In chapter VII, the major work of the study is summarized, and the conclusions and innovations of the study are elaborated.

Keywords: hydraulic driven lower limb exoskeleton; optimized design of structure;

inverse jacobian matrix; human-machine interaction system; slding mode control;

fuzzy control; adaptive control

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浙江大学博士学位论文目录

图目录

图 1.1 下肢助力外骨骼的应用领域 ... 2

图 1.2 我国服务机器人市场前景 ... 3

图 1.3 美国雷神公司（RAYTHEON）系列外骨骼 ... 6

图 1.4 加州大学伯克利分校研制的外骨骼 ... 7

图 1.5 洛克希德.马丁公司研制的外骨骼 ... 8

图 1.6 法国 HERCULE 系列外骨骼 ... 10

图 1.7 其他助力外骨骼 ... 11

图 1.8 日本 HAL 系列外骨骼 ... 12

图 1.9 部分下肢康复外骨骼 ... 13

图 1.10 国内高校研制的下肢外骨骼 ... 15

图 1.11 电子科技大学下肢外骨骼 ... 16

图 2.1 人体基准轴和基准面 ... 24

图 2.2 关节运动示意图^[6] ... 25

图 2.3 大腿肌肉分布 ... 26

图 2.4 CGA 步态数据 ... 27

图 2.5 膝关节几何模型 ... 28

图 2.6 液压缸安装位置示意图 ... 30

图 2.7 膝关节力臂曲线 ... 31

图 2.8 力臂-角度关系曲线 ... 31

图 2.9 液压缸不同安装角效果 ... 32

图 2.10 液压缸倾角曲线 ... 33

图 2.11 膝关节伸展力矩变化曲线 ... 34

图 2.12 膝关节弯曲力矩变化曲线 ... 35

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图 2.13 膝关节力矩-角度对比 ... 35 图 2.14 第 I 代髋关节结构 ... 36 图 2.15 髋关节四连杆机构简化 ... 37 图 2.16 四连杆机构运动分析 ... 38 图 2.17 髋关节四连杆机构改进 ... 39 图 2.18 髋关节三维图 ... 39 图 2.19 液压驱动下肢外骨骼 ... 40 图 2.20 液压缸随关节角度变化的位移 ... 42 图 2.21 下肢外骨骼液压系统原理图 ... 43 图 2.22 下肢外骨骼硬件系统 ... 44 图 2.23 COMPACTRIO 实时控制器 ... 45 图 2.24 多维力传感器 ... 46 图 2.25 伺服阀及放大板 ... 46 图 2.26 STAR-200 伺服阀阶跃响应 ... 47 图 2.27 下肢外骨骼软件系统 ... 48 图 2.28 PC 人机交互界面 ... 49 图 3.1 连杆坐标系和 D-H 参数 ... 53 图 3.2 摆动腿坐标系统 ... 55 图 3.3 DLS 方法角速度仿真结果 ... 57 图 3.4 DLS 方法仿真参数对比效果 ... 58 图 3.5 雅克比矩阵曲线 ... 59 图 3.6 关节空间角速度 ... 60 图 3.7 操作空间速度的比较 ... 60 图 3.8 摆动腿简化模型 ... 62 图 3.9 阀控缸模型 ... 66 图 3.10 基于控制受限下的神经网络补偿控制系统 ... 71

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浙江大学博士学位论文图目录

图 3.11 液压缸力跟随效果 ... 73 图 4.1 人体步态周期 ... 77 图 4.2 FLEXIFORCE A401 ... 78 图 4.3 FLEXIFORCE A401 调理电路 ... 79 图 4.4 脚底压力分布^[165] ... 80 图 4.5 下肢外骨骼脚底设计 ... 80 图 4.6 脚底穿戴实验 ... 82 图 4.7 基于导纳模型的物理型人机交互系统 ... 84 图 4.8 下肢外骨骼摆动相人机控制系统结构 ... 85 图 5.1 滑模运动示意图 ... 90 图 5.2 分段对数类势能函数 ... 93 图 5.3 分段正弦类势能函数 ... 94 图 5.4 反正切类势能函数 ... 95 图 5.5 类势能函数对比图 ... 96 图 5.6 摆动腿控制器仿真效果 ... 100 图 5.7 输入模糊化规则 ... 102 图 5.8 模糊规则曲面 ... 103 图 5.9 非线性积分滑模控制 ... 104 图 5.10 控制程序框图 ... 105 图 5.11 控制效果对比图 ... 106 图 6.1 单输入自适应模糊滑模控制器框图 ... 116 图 6.2 摆动腿穿戴 ... 117 图 6.3 外骨骼摆动腿角度跟踪曲线 ... 117 图 6.4 摆动腿控制效果对比图 ... 118 图 6.5 不同负重摆动腿实验 ... 119

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浙江大学博士学位论文表目录

表目录

表 2.1 下肢尺寸比例 ... 33 表 2.2 下肢外骨骼机器人质量属性 ... 41 表 2.3 多维力传感器技术参数 ... 45 表 3.1 D-H 参数表 ... 55 表 5.1 控制性能比较 ... 101 表 5.2 模糊推理规则表 ... 102 表 5.3 控制性能比较 ... 106 表 6.1 控制性能比较 ... 119 表 6.2 人机交互力比较 ... 120

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浙江大学博士学位论文第 1 章绪论

第1章绪论

摘要：介绍了课题研究的背景和意义，综述了国外下肢助力外骨骼、国外下肢康复外骨骼和国内下肢外骨骼的研究现状，并分析了国内外下肢外骨骼机器人的控制策略。最后阐明了本课题的来源和主要研究内容。

1.1 课题背景及意义

集多种学科于一身的机器人学，例如机械、电子、计算机信息等，随着机器人向不同领域的拓展和应用，仍然对其他学科的知识有着强烈需求，因此机器人学是一门多个学科相互渗透、相互交叉的综合性学科^[1]。可穿戴机器人是作为人机交互领域的典型机器人出现，通常指根据人们的身体结构及肢体功能设计，可以由人们穿戴并实现一定功能。可穿戴机器人可以将人的智慧、灵活的操作能力与机器人装置的耐力、负载能力等相结合。自从上世纪 60 年代初，旨在增强穿戴者能力的外骨骼出现后，人机共融类机器人在工业操作、移动搬运等领域的研究就在不断进行^[2]。外骨骼机器人作为该类机器人的典型代表，在助力和康复领域得到显著发展，并且逐渐从军事用途往康复医疗、日常助力等用途转化^[3-5]。

外骨骼技术最初是在美国与前南斯拉夫两个国家开展研究，其中美国研究这项技术的定位是增强穿戴者的能力，主要用于军事用途；前南斯拉夫则是为了帮助残障人士，主要用于医疗康复。而直到现在，军事应用及医疗康复也是推动外骨骼技术发展的主要动力^[6]。

按照美国陆军条令，美国陆军的单兵负重分为三种：战斗负重约 28.6kg；行军负重约 45.8kg；应急负重，约 60kg。然而在实际情况中，如果士兵被沉重的负荷压得筋疲力尽，难以开展有效的作战，导致伤亡率的增加。因此，美军特种部队在作战时，允许士兵负重降至 18.2kg^[7]。2007 年，美军在阿富汗战场上，平均每 5.4 人中就存在一人因为背负太多重物而身体出现病患，很多负重行军的老兵都患有膝盖和腰的疾病。实际上，美国军方早已意识到该问题，并于 2000 年，

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美国国防部高等研究计划局（DARPA）为了开发一款可在战场环境下增强士兵速度、力量及耐力的装备而提出了名为“ Exoskeletons for Human Performance Augmentation (EHPA)”的计划。

(a) 军事助力 (b) 工业搬运

(c) 救援救灾 (d) 科考登山

图 1.1 下肢助力外骨骼的应用领域

据 2016 年阿里 BCG 人工智能报告，美国国防部 20 年未到访硅谷，而在任国防部长卡特自去年上任以来连续 4 次密集访问硅谷，对人工智能表示出极大兴趣，直言要将民用 AI 技术用于改进国防装备体系，帮助美国培育出新型的“钢铁侠”战士^[8]。在美国国防部高等研究计划局（DARPA）的资助下，美国先后研发出 BLEEX、XOS 等类型的军用助力外骨骼，据悉，美国国防部 2017 财年建议的研发预算为 120~150 亿美元，相信军用助力外骨骼将会再次成为研究热点^[9]。 2015 中国国产单兵外骨骼首次在首届中国军民融合技术装备博览会亮相，军方研

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制外骨骼的目的主要包含两点：一是提高面对复杂地形、战场时的长期战斗能力；

二是提供更强的负重能力，背负士兵的外部防护装备^[10]。助力外骨骼除了可应用在军事领域，在路况比较崎岖，例如负重爬山、过沟壑等特殊状况，也有着广阔的应用前景，例如科考、消防营救人员通常需要携带一定重物在不规则的路面上前行，此时传统的轮式移动设备或履带式移动设备因为携带不方便等原因难以进行推广应用[4, 11-13]。此外，助力外骨骼可以在仓储搬运、船体焊接、农业种植等领域进行应用，以减轻工人的劳动强度。该类场合，可以充分发挥人的智慧和操作能力，以及外骨骼的耐力和负载能力^[14]。

(a) 联合国对我国人口年龄分布预测 (b) 我国养老行业服务市场图 1.2 我国服务机器人市场前景

推动外骨骼产品发展的另一个关键领域是医疗康复。随着老龄化社会的加剧，利用机器人装备来帮助老年人处理日常生活、进行感情陪护以及进行康复训练成为一大发展趋势。联合国调研报告指出，在 2012 年，全球超过 60 岁（含 60 岁）的老人占全球总人口的 11.5%，并且这个数据在 2050 年将达到 22%^[15]。有些地区和国家的人口老龄化问题更加严峻，比如日本在 2012 年超过 60 岁（含 60 岁）的比例超过 30%，据预测，接下来的十年中，日本用于老年护理的政府支出预计将翻一番，达到每年 1750 亿美元。我国的人口老龄化问题也是非常严峻，

第六次人口普查数据显示，截止 2010 年 11 月 1 日，我国超过 60 岁（含 60 岁）

的老人比例达到 13.26%，个别沿海发达城市甚至已经超过 20%^[16]。随着人口老龄化的加剧，偏瘫、截瘫患者等逐渐增多，对康复设备的需求也日益强烈^[17]。通过世界卫生组织在 69 个国家开展的健康统计，我们可知，年满 18 岁的成年人中

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18.6%存在中等以上程度的行动困难，他们出行唯一的选择是轮椅。但是与双腿相比，轮椅存在许多的缺点，如上下楼梯不方便、难以跨越沟壑以及长期依靠轮椅有可能导致身体其他病变的发生等。外骨骼的研制，不仅可以帮助部分老年人解决身体耐力不好、行走不灵活的问题，也可以帮助不能行走的人复原一些行动

能力^[18-20]。目前国内康复理疗行业存在康复理疗普及率低和人才良莠不齐等问

题，60%的康复需求仅得到不足 20%的服务。图 1.2 透露出我国养老市场的巨大潜力，目前已成型产品主要包括手术机器人和外骨骼，据测算占据康复市场中 80%

的外骨骼到 2020 年将过百亿元^{[21, 22]}。

综上分析，下肢外骨骼是一种典型的但又很新颖的具有可穿戴特点的机器人设备，站在人机一体化智能系统的角度，具有人主机辅的特征，将人的智能与外骨骼机器人的机械能量结合起来，近年来成为一个新的研究热点，并在军事、科研、工业生产和日常生活中得到广泛的应用，可以断言在不远地将来下肢外骨骼将显著影响人们的生活。尽管外骨骼已经在国外进行了几十年的研究，并且国外也研发了较多类别的样机，然而国内还处于样机研发阶段，因此潜心研究下肢外骨骼涉及的各项关键技术，是实现国产外骨骼设备突破的必由之路。本文将从理论和实践两方面着手，从下肢外骨骼的仿生结构设计、结构优化入手，搭建下肢外骨骼平台，设计选用合适的传感器及安装方式，实现可靠灵敏的人机交互，并且探讨人体运动意图的实现方式，结合滑模控制器、模糊控制器等非线性控制算法，完善下肢外骨骼摆动腿的跟随控制，提高穿戴者的穿戴体验。相关研究工作对于推动国内下肢外骨骼的发展具有重要意义。

1.2 下肢外骨骼关键技术

下肢外骨骼机器人是基于人体下肢结构和功能所设计的人机交互式机器人系统，可以被看做是对人体下肢功能的补充、提高甚至代替。根据下肢外骨骼应用目的的不同，可分为：矫正器类外骨骼，主要用于矫正人体的步态、修复下肢已经失去但正在恢复的功能，这类外骨骼可以改善下肢术后或者偏瘫患者下肢肌无力或步态不正常的状况，实现同正常人一样的功能；增强助力类外骨骼，该类

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外骨骼可以帮助穿戴者背负更重的负载或者在同样负载的情况下减轻穿戴者的负担，甚至于提高穿戴者的速度、忍耐力等；替代类外骨骼，以假肢为代表，可以帮助失去下肢的人群重新站立起来并进行行走。

外骨骼根据不同的分类依据会有不同的分类方法，然而作为典型的人机交互型机器人，其所需要解决的核心技术确是一致的。

轻质便携的机械结构。机械结构是系统性能实现的前提和基础，为了使外骨骼与人的身体结构相一致，学者提出了拟人化的设计理念，随着研究的进展，又有学者提出了准拟人化的设计理念，更加强调了作用效率比的概念，机械结构的设计往往与执行器是分不开的，因此根据外骨骼的不同用途又决定了设计的不同理念，Adam B.Zoss 等^[23]针对液压下肢助力外骨骼的结构设计结合液压缸的优化设计进行了细致的分析，并提出了迭代优化的方法，Aaron M.Dollar 等^[24]则针对旨在帮助人跑步的下肢外骨骼结合电机、弹簧系统进行了结构设计，将脚跟着地时的能量通过弹簧储存起来，在摆动相时则通过机械结构将弹簧脱离开来，上海交通大学的高峰课题组^[25]则将自主研制的液压-电机执行器集成到下肢助力外骨骼结构设计中，并通过仿真优化结构设计。

简便可靠的多传感器融合技术。毫无疑问，在任何一个先进的机电系统中，

多传感器融合技术都扮演者至关重要的角色，在下肢外骨骼中，多传感器融合系统主要实现以下几个功能：1）检测人机交互信息，这是为下一步提取人体的运动意图做准备，加州伯克利大学的 Kazerooni 教授^[26]提出了两种实现方案，一是在外骨骼上加装加速度传感器以及背部安装多维力传感器的方式，二是在穿戴者身上安装倾角传感器的方式，以此来实现人机交互信息的检测；日本筑波大学的 Sankai 教授^[27]则采用在人体皮肤表面安装肌电传感器的方式；Kilicarslan 等^[28]则采用脑电信号提取人体的运动意图；还有最为直观地方法即是在人机之间安装多维力传感器 2）检测外骨骼的运动信息，例如角编码器、加速度传感器等，是为控制器设计的方便对运动信息的检测。

先进的人机协同控制技术。外骨骼机器人最核心的技术可以归纳为人机的协同运动控制，对人体运动意图及时可靠的提取以及对外骨骼机器人的运动控制，

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在外骨骼能够快速跟随穿戴者的运动意图的同时并实现相应的功能，阻抗模型、

导纳模型、神经网络模型等以及力控制器、混合控制器等也不断地被应用到人机协同算法中^[29-31]。

外骨骼机器人同时是一个复杂的人机交互设备，除去上述三点核心技术外，

其成功应用还应包括高效节能的能源技术、安全可靠的电控系统等等。下面将对目前世界上主要的下肢外骨骼研究状况进行总结。

1.3 下肢外骨骼研究现状

1.3.1 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

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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

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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。

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(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。

(38)

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]。

1.3.2 国外下肢康复外骨骼研究现状

过去几十年来，人口问题已经成为日本的死结，政府当局对此一筹莫展，日本 65 岁及以上人口的比例是全世界之最。1995 年，日本筑波大学教授山海嘉之教授和三阶吉行等结合“生化电子”技术，发明了具有科幻色彩的主打产品——

Robot Suit HAL(Hybrid Assistive Limb)的机械外骨骼^[56]。2001 年，图 1.8 所示的 HAL 系列混合助力外骨骼正式推出，该外骨骼采用仿人化结构设计，髋关节和膝关节在矢状面内的自由度是主动自由度，髋关节和踝关节在水平面和额状面内各有一个被动自由度。目前该外骨骼分为两种版式：下肢外骨骼，约重 15kg，给使用者提供腿部助力和康复训练，可以帮助下肢存在行走障碍的患者进行正常的行走以及进行康复训练；全身外骨骼，约重 23kg，可以帮助穿戴者抬起约 100kg 的重物。在负重 70kg 的情况下可续航 2.6 小时^[57-62]。

图 1.8 日本 HAL 系列外骨骼

据 OFweek 机器人网报道，旨在为为符合要求的患有脊髓损伤的老兵供应 Rewalk 外骨骼机器人的评估、训练和装备的全国性政策已于 2015 年 12 月 17 日由美国退伍军人事业部颁布。符合条件的老兵可前往 Rewalk 的训练营进行训练，

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训练合格者将有可能得到一套装备。Rewalk 是由以色列科学家 Dr. Amit Goffer 自 1997 年开始研制，历时十年研制成功，如图 1.9（b）。目前该 Rewalk 包含两类产品，分别是个人版和康复版。Rewalk 个人版能够让患者重新站立起来，例如截瘫患者，因此强调针对单一病人量身设计，适合于在家和社区使用。Rewalk 康复版是面向治疗中心设计，能够提供有意义的运动和康复疗程^[63]。

(a) 范德比特大学外骨骼

(b) Rewalk (c) EXPOS (d) Lokomat 图 1.9 部分下肢康复外骨骼

美国范德比特大学设计了一款下肢助力外骨骼，如图 1.9（a）主要用来帮助患者重新站立，患者穿戴该外骨骼后，需要借助拐杖保持平衡，实现行走功能。

在髋关节及膝关节的矢状面内有无刷直流电机进行驱动，可以提供 12N.m 的长时间力矩及瞬时力矩可达 40N.m。考虑到可能存在的安全隐患，在膝关节位置设置

(40)

有限位块^[64]。

考虑到外骨骼设备重量及体积等因素对老年人或下肢患者的不方便性，韩国西江大学研发了一款通过钢丝绳传导驱动的下肢助力设备——EXPOS，如图 1.9

（c）。该外骨骼将电机、减速器、控制器等占重量及体积的部件布置在移动平台上，通过钢丝绳将动力传递到由人穿戴的外骨骼上，穿戴者扶着移动平台进行行走。EXPOS 确实减轻了穿戴者所穿戴的外骨骼重量，但是承载重量的移动平台却增加了占据的空间体积，限制了其应用场合^[18]。

针对中风和脊髓损伤患者的康复通常的方式是跑步机训练。为了提高训练的效率和降低训练师的劳动强度，瑞士苏黎世大学开发了一款与跑步机结合的下肢康复外骨骼：Lokomat，如图 1.9（d）。该外骨骼同样只在髋关节和膝关节进行驱动，其大腿杆、小腿杆的长度可根据患者身高进行调节。Lokomat 通过一个四杆机构固定在跑步机上，患者每条腿通过三个绑带连接在外骨骼上。为了提高康复训练的效率，Lokomat 倡导让患者主动参与到训练当中^[65]。类似于该外骨骼，荷兰杜温特大学研制了 LOPES 下肢康复训练外骨骼^[66]，美国特拉华大学研制了 ALEX 下肢助力外骨骼等^[67]，目前该类外骨骼也被国内部分医院引进对下肢患者进行康复训练。

1.3.3 国内下肢外骨骼研究现状

国内对下肢助力外骨骼的相关技术研究开展较晚，尚处于研究阶段，主要以高校科研单位为主，其中浙江大学^[68]、哈尔滨工业大学、华东理工大学^[69]、中北大学^[70]、中科院、中国矿业大学^[71]、中南大学^[72]等^[73-78]、成都电子科技大学都进行了研制。目前我国的外骨骼研究主要在集中在康复外骨骼上，随着人民生活水平的提高和科技的发展，助力外骨骼在民用领域及军用领域的巨大意义将得到越来越多研究机构的关注。

浙江大学作为国内最早研究外骨骼技术的单位之一，对助力外骨骼和康复外骨骼都有研究，而且取得了不错的成果。机械电子控制工程研究所的杨灿军教授带领其团队设计了一套气动驱动的外骨骼康复机器人，这款外骨骼有 8 个自由度，

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髋关节 4 个，膝关节 2 个以及踝关节 2 个，通过脚底上的压力传感器采集压力信号，利用模糊逻辑分析决策方式识别使用者的动作，并控制各个关节的运动，从而实现对患者的康复训练^[79-82]。

中科院也是我国最早研究外骨骼单位之一，成功研制了下肢外骨骼机器人，

并取名为 EXOP-1（认知外骨骼机器人 1 号）。为了实现外骨骼与人体贴合，在外骨骼的腰部和腿部分别设计了 9 处绑带，并且通过多达 22 个传感器来实现对外骨骼的姿态检测，除此之外，还包含 6 个驱动器和 1 个控制器，整个外骨骼的材料选择了航空铝，整机重约 20kg。中国科学技术大学也进行了下肢助力外骨骼的研制，采用电机驱动的方式，也成功搭建了实验样机^[83-85]。

(a) 浙江大学 (b) 中科院常州所 (c) 哈尔滨工业大学图 1.10 国内高校研制的下肢外骨骼

哈尔滨工业大学研制了主要用于地震救援工作的下肢助力外骨骼，该外骨骼旨在帮助救援人员背负负载，缩短救援时间。为了提高人体穿戴的舒适性及活动的自由度，外骨骼采用了包含冗余自由度的关节设计，减少了人与外骨骼由关节自由度限制而引发的运动干涉。外骨骼与人的交互信息通过检测薄膜压力传感器的压力变化来进行推断^[86-88]。

据公开资料显示，成都电子科技大学在康复外骨骼方向已经取得了巨大进

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展，整个外骨骼共 10 个自由度，单腿 5 个自由度，主要集中在髋关节、膝关节和踝关节，通过采集足底压力信号和下肢加速度信号对人体步态进行判断。该外骨骼已于 2015 年 9 月在特奥会开幕式上进行了演示。然而由于该外骨骼结构上未考虑腰部的自由度，人体运动意图需要依靠与人体绑带连接的加速度传感器，

对穿着者产生依赖。因此，该外骨骼主要应用于康复领域^[89-91]。

图 1.11 电子科技大学下肢外骨骼

1.4 国内外下肢外骨骼控制系统研究现状

为了实现外骨骼能快速跟随穿戴者运动并且实现助力功能，很多控制方法都在下肢外骨骼机器人上进行了研发和应用：例如灵敏度放大法（SAC）、虚拟力矩控制^[92]、主从控制^[93]、直接力反馈控制^[94]、力阻抗控制^[95-97]、肌电信号控制等。

Kazerooni 教授在 DARPA 支持下研制的下肢助力外骨骼 BLEEX，除了可以用于战场帮助士兵背负重物之外，还可以为事故救援人员、消防战士和其他需要携带食物、救援装备等重物前行的人群提供帮助。为了实现该外骨骼可以让人穿戴后舒适地完成步行、爬坡、弯曲、下坡等常见人体下肢步行状况，需要实现外骨骼对穿戴者实时运动的跟随，也即由穿戴者提供智能的控制系统，而外骨骼只负责跟随及支撑负载。BLEEX 创新地提出了并不直接测量人机间交互力的方式，

并且以 BLEEX 可以跟随穿戴者的主动运动意图为设计准则，提出了灵敏度放大法的概念。传统的控制器设计都是以抗干扰能力强为设计目标之一，而 SAC 恰恰与此相反，该控制器的目标是实现对外界干扰的放大，在无外力的情况下，外界

(43)

干扰主要是指由于人和外骨骼设备因为不一致运动所产生的阻力。该方法在 BLEEX 上得到了验证^[98-100]。

尽管 SAC 在 BLEEX 上取得了显著的成功，实现了跟随助力，该控制器依然存在不足，主要集中在两点：在有外部干扰力的情况下，人与外骨骼系统的平衡完全依赖于穿戴者的快速响应能力，对穿戴者造成不便；该控制器的鲁棒性较差，

要求外骨骼模型的精度较高，但由于液压驱动的下肢外骨骼在行走过程中状态一直发生改变，以及负载存在变化的可能，难以建立准确的动力学模型。因此，

Kazerooni 教授又提出了改进的控制系统：混合控制器。该控制器将步行周期分为摆动相和支撑相，其中在摆动相采用 SAC 控制器，提高了摆动腿的跟随能力，在支撑相采用位置控制。该控制系统并不需要对外骨骼建立精确的模型，因此对于负载变化的鲁棒性得到提高。但是，作为一种妥协，支撑相的位置控制需要穿戴者再穿戴七个倾角传感器来测量人的肢体的角度^[26]。

日本山海嘉之教授及三阶吉行结合生化电子技术（Cybernics）研发了混合助力外骨骼（HAL）。Cybernics 是一门集合了控制论、机械设计、信息学、神经学、

机器人学等多学科的前沿研究热点。HAL 采用了两种控制模式：自愿控制模式

（Cybernic Voluntary Control System）和主动控制模式（Cybernic Autonomous Control System），不同的控制模式也将其应用拓展至医疗健康、重物搬运等领域。

自愿控制模式通过肌电信号来推测人体的运动意图，借助于虚拟力矩控制器来推测关节力矩，并对人体下肢膝关节、髋关节的力矩进行放大实现助力[27, 101-103]。该控制系统在人体步行的各姿态均可使用，然而该方法也有其局限性：肌电传感器必须要贴在人体的皮肤上，不同穿戴者信号强度不同，部分穿戴者可能会导致皮肤过敏，以及传感器信号会受到汗液、毛发等影响；部分神经损伤患者无法提取肌电信号。而主动控制模式恰恰弥补了此缺陷。主动控制模式，需要借助地面接触力及关节角度来推测人体的运动意图。其中通过布置在脚底的压力传感器来检测脚底各部位的触地情况，来推测人体重心的变化，主要集中在三种意图：步行的开始和停止，摆动的开始。关节角度提供了当前腿部各关节的状况^[104-107]。在摆动腿时，通过提取健康人体的活动轨迹作为参考轨迹，并采用 PD 控制器进

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行控制，在支撑腿时采用常值控制器。该种控制模式适合于下肢肌电信号无法提取的患者^{[108, 109]}。

韩国国防发展代理局针对军事用途的液压下肢助力外骨骼，设计了一套双模式控制系统，主要包含支撑相的主动控制和摆动相的被动控制。主动控制采用虚拟力矩控制器，被动控制采用旁通阀的液压系统设计，实现摆动时的快速跟随，

为了避免两种步态控制器过渡时的力矩波动，通过在脚底布置压力传感器，检测步态变化，从而引入指数函数平滑方法。实验表明，穿戴者穿上该下肢外骨骼后可以在背负 45kg 负载的情况下步行速度达到 4km/h^[110]。

韩国汉阳大学 Donghwan Lim 等教授开发的下肢助力外骨骼采用准拟人化设计，为了实现对人体运动意图的跟随，采用了最为直观的方法：检测人和外骨骼之间的物理接触力。控制器架构主要分为两部分：传感器检测系统；电机控制系统。其中传感器检测系统主要完成检测人体运动信息以及人机交互力，为此需要在人和外骨骼之间安装多维力传感器。电机控制系统根据人体步态包含两种不同的控制器：摆动相时，采用虚拟力矩控制算法，得到理想的关节力矩；支撑相时，

直接将多维力传感器检测到的人机交互力通过雅克比矩阵转换为各关节理想驱动力，最后通过 PID 控制器实现力跟随。该外骨骼已经进行了穿戴实验，并且通过肌电传感器进行检测，穿戴效果得到验证^{[55, 111]}。

下肢外骨骼作为人机交互设备中的典型机器人，同时由于人体步态的多样性，因此其控制系统设计也受到了国内很多高校的青睐[112, 113]。海军航空工程学院的顾文锦教授团队对 BLEEX 所采用的 SAC 方法进行了分析并且做了进一步改进，针对外骨骼的非线性特性，采用 BP 神经网络建立其动力学模型，并结合 SAC 方法，进行了仿真^{[114, 115]}，之后又提出了分阶段控制的策略，摆动腿采用 SAC，

支撑腿采用位置控制^[116]。北京航空航天大学的唐志勇教授团队利用导纳控制器可以联系力和速度的特性，将穿戴者与外骨骼之间的接触力转换为速度信息，并推导得出外骨骼的期望运动轨迹，实现位置跟踪，仿真表明该控制系统可以降低约 85%的交互力，位置跟踪误差可控制在±0.3°以内^[117]。尽管国内开展了很多研究，但是依然没有可以实现自主跟随的下肢外骨骼产品出现。

(45)

1.5 课题来源和主要研究内容

1.5.1 课题来源

本文的研究工作得到了“国家自然科学基金创新研究群体科学基金项（编号：

51221004）”、“国家自然科学基金第二期创新研究群体科学基金项（编号：

51521064）”、浙江省自然科学基金项目“多自由度旋转关节串联机器人摩擦环节分析与模糊建模补偿研究（Y13E050004）”、“谐波驱动工业机器人高精度运动控制研究（Y1100693）”和“杭州市重大科技创新项目（NO：20132111A04，

NO：20142013A56）”、安徽三联机器人科技有限公司（NO：SQA20130808A）

的支持，特此表示感谢。

1.5.2 论文研究目标及主要内容

课题以典型人机交互机器人下肢外骨骼为研究对象，主要研究目标为应用 CAD 设计、数值计算及 MATLAB 仿真等软件优化外骨骼仿生结构及研究先进控制策略提高下肢外骨骼机器人摆动腿的跟随性能，为下肢外骨骼机器人的真正应用提供理论支撑。本文以数理几何、机械原理、机器人学、控制理论等多学科交叉为基础，采用理论分析、数值仿真和实验相结合的方法，针对下肢外骨骼系统的平台搭建、运动意图提取及平稳高精度的跟随控制算法等关键技术展开理论及试验研究。具体研究内容如下：

（1）液压驱动下肢外骨骼机器人平台结构优化

完成下肢外骨骼机器人各关节自由度的改进，对主动关节液压缸的安装位置进行优化设计，为下肢外骨骼摆动腿的随动控制的研究提供实验平台。

（2）液压驱动下肢外骨骼机器人建模及仿真

分析人体运动步态，研究液压驱动下肢外骨骼机器人的运动学、逆运动学、

多体动力学模型，以及主动关节液压系统动力学等基础内容，并搭建单关节运动控制仿真平台，研究单关节的随动控制。

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（3）人-机协同控制研究

在人体运动步态研究的基础上，设计多传感器融合系统，实现对人体运动步态的检测及对人体运动意图的推导，引入导纳模型，从而将人-机之间的交互力信息转化为外骨骼的理想运动轨迹，建立外骨骼的混合控制系统。

（4）改进的滑模变结构控制器

针对下肢外骨骼系统的不确定性，引入滑模变结构控制方法，为了提高跟踪精度，通常采用积分滑模面，但是传统积分滑模面又会导致的 Windup 效应，因此提出了两类改进方法，并且设计了三类非线性类势能函数和对应的微分饱和函数，防止原有传统积分滑模面中的积分部分，有效改善了传统积分滑模面的收敛速度。同时借助于饱和函数的边界层性质：在边界层内，采用完整积分项来减少系统稳态误差并且提高系统鲁棒性；在边界层外，利用调节因子减弱积分项的影响，以避免因初始误差较大所引起的 Windup 效应。

（5）简化模糊规则的自适应模糊滑模控制

考虑到下肢外骨骼模型的不确定性以及受负载、关节位置及关节角速度影响而无法获得准确的系统模型，结合模糊控制具有较高精度逼近非线性模型的特性和自适应控制的强抗干扰能力，考虑了一种单输入的直接自适应模糊滑模控制方法，并在此基础上进行了改进。最终实现了无模型的控制方法。

1.6 本章小结

本章介绍了课题研究的背景与意义，分析了国内外下肢外骨骼的研究状况及产业发展情况，解析了下肢外骨骼的两个发展方向：（1）下肢助力外骨骼，主要应用在军事、救援、娱乐等领域；（2）下肢康复外骨骼，主要应用在助老助残、

康复训练等领域。反映了下肢外骨骼的巨大应用前景。探讨了国内外下肢外骨骼系统的控制策略，主要实现两个目的：（1）对人体运动意图的快速跟随；（2）承担负载，减轻人的负担。反映了下肢外骨骼控制系统的核心研究方向及研究意义。

最后阐明了本课题的研究目标及内容。

(47)

浙江大学博士学位论文第 2 章液压驱动下肢外骨骼平台优化

第2章液压驱动下肢外骨骼平台优化

摘要：采用准拟人化的设计准则设计液压驱动下肢外骨骼机器人，分析了人体下肢的肌肉分布以及标准的人体步态统计数据，为样机结构的优化提供了参考指标。对于膝关节，通过结合 CAD 辅助设计软件以及数值计算等方法建立液压执行器的参数方程，之后通过 MATLAB 仿真软件为参数的最优选择提供指导；对于髋关节，利用复数矢量法以及杆组法分析四连杆机构，验证参数选取的性能；

之后，借助于三维设计软件 SolidWorks 进行了模型设计并输出了关节的相关运动轨迹；最后，设计了满足穿戴需求的液压系统和电控系统，完成优化后液压驱动下肢外骨骼平台的搭建。

2.1 引言

液压驱动下肢外骨骼平台包含液压驱动下肢外骨骼本体、液压系统、传感器系统以及控制系统。其中，液压驱动下肢外骨骼本体优化是本章的重点，需要根据液压执行器以及针对不同的穿戴者综合考虑各关节自由度的设置、液压执行器的安装位置等因素，本章采用准拟人化仿生设计下肢外骨骼本体。

由于外骨骼是穿戴在人体外面并与穿戴者紧密接触，因此其结构设计需要建立在对人体机体结构充分了解的基础上。根据外骨骼的设计思路，目前可分为三类：拟人化设计，准拟人化设计和非拟人化设计^[118]。拟人化设计是指根据人体的关节分布，设计下肢外骨骼使得下肢外骨骼具有与人体下肢一一对应的自由度，

该类设计方法可以达到外骨骼与人体下肢实现相同动作的功能，简化了下肢外骨骼的设计思路，避免了人体穿戴外骨骼后因自由度不匹配可能导致的阻碍，然而，

该设计理念将导致非常复杂的外骨骼结构，因此极少被采用。非拟人化设计，重在达到外骨骼的功能，即实现对下肢的助力、康复乃至增强穿戴者的能力，因此，

结构形式并不与人体下肢结构相似，具有很多种可以实现的形式，因此可以设计更为简洁方便的机构，以 SprinWalker 为代表^[119]。准拟人化设计是指参照人体的

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下肢各关节运动曲线，设计与人体下肢活动类似的下肢外骨骼机构，其自由度的配置并不与人体下肢各关节一一对应，但是能满足人体下肢的主要运动所需要的自由度要求^[120]，因此目前大部分下肢外骨骼都采用准拟人化的设计方法，例如 BLEEX、HAL^{[121, 122]}。

针对下肢外骨骼的结构设计，国内外很多学者都进行了相关研究。东南大学的贾山等人为使所设计的下肢外骨骼适用于各种常见步态，分析了非平衡性、强直性、短肢性、不同步速和不同负重等五种常见特殊步态以及正常步态的实验数据，对下肢外骨骼机构各关节进行了集成液压套索驱动系统的配置及优化^[123]；浙江大学的杨巍等人针对日益增多的脑卒中病人和脊椎损伤病人的康复训练需求，

利用人机耦合系统五杆模型，建立动力学方程并推导出髋、膝关节的驱动力矩，

为结构设计提供了考核参数^[124]；美国阿拉巴马大学的 Sai-Kit Wu 等人为了减轻驱动系统的重量，采用气动缸作为驱动方式，其设计主要目的在于为膝关节、踝关节提供充足的助力，结构设计未进行细致优化^[125]；南京理工大学的李阳等人为了使下肢外骨骼结构更加紧凑，提出了一种新颖的机构，采用液压缸取代下肢机构，将膝关节的旋转运动变为液压缸的伸缩运动，目前该想法尚未看到样机出现

[126]。

本章从仿生学知识开展下肢外骨骼机器人仿生设计研究，研究分析人体下肢髋关节及膝关节的骨骼、肌肉分布为下肢外骨骼的驱动器布置提供设计依据；研究分析 CGA 数据（Clinical gait analysis），明确在正常人体步行时的髋关节、膝关节角度变化以及相应的关节力矩值，为下肢外骨骼液压执行器参数设计提供依据。基于以上的分析，得到定性的结构设计方案，并结合 CAD、MATLAB 及数值计算等方法进行下肢外骨骼各关节执行器参数的优化，并验证下肢外骨骼机械结构和液压设计参数的可行性。

2.2 下肢外骨骼驱动方式

通过第一章对当前下肢外骨骼研究进展的总结可知，目前常见的驱动方式都已在下肢外骨骼中进行了应用，例如液压、电机、气动肌肉、气缸、电缸等，不

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