人体外骨骼发展现状.pdf

1绪论

1.1研究背景与意义

在急速发展的现代社会，人们通常都会使用轮式交通工具运载沉重物体，

但在实际生活中，有许多地方道路凹凸不平，轮式交通工具难以行进，由于人

[1]

腿能适应较复杂路况的优点，使得行走助力装置应运而生。它是一种可以辅助

人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的智能来

控制机器人的行走，简化了自主行走式两机器人最为常见的步态规划和步态稳

定性问题，同时它又可以提供动力协助人的行走，增强人们行走的能力和速度，

缓解人在大负重和长时间行走情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人们的运动

范围，故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。在

一些交通已经过于拥堵的城市，下肢步行外骨骼还可以作为一种新型的轻型环

保交通工具，可以大大减少城市汽车流量，降低市区的堵车情况，减少城市的

[2]

汽车尾气污染，减缓城市的停车压力，同时使用者还可以达到锻炼身体的目的。

目前，行走助力装置主要应用于两方面：（1）用于负重、长距离行走时进

行助力（2）用于老年人或下肢瘫痪者行走时进行助力。行走助力装置的发展借

鉴了腿式机器人、仿人机器人的技术和经验，又在结构、控制能力等方面做了

深入的研究，经过不断的努力，现已开发出几类行走助力装置，并对相关技术

做了深入的探讨，取得了一定的成果。

随着社会的发展和生活水平的提高，人们对医疗水平的期望值也越来越高。

而医疗水平的提高自然依仗医疗器械的更新和改善。对于下肢受伤或有关节肌肉

病患的病人来说，克服伤病需要借助适当的医疗器械帮助下肢逐渐恢复正常机能。

本文所介绍的正是出于此种目的，由多缸并联的气动步行助力器。

1.2国际上下肢外骨骼的研究现状

1.2.1德国奥托博克(ottobock)的C-LEG智能仿生腿

德国OTTOBOCK公司的最新产品智能仿生腿（C-LEG）是世界上第一个完

全由电脑控制步态的假肢膝关节系统，能使配戴者稳定牢固的控制下肢运动。智

能仿生腿有两个电子传感器：一个位于小腿管中，分别测取脚跟踏地和脚前掌的

压力，为假肢支撑期的稳定性控制提供信息。一个位于膝关节的支撑框架中，测

量膝关节屈度和膝关节摆动速度的变化，为假肢摆动后期的活动性控制提供信息。

这两个传感器可将假肢的运动状态以每秒50次的采样频率向电脑提供测定值。

微处理器可以瞬间识别使用者的假肢状态。同时，微处理器将所得信号进行加工

处理，通过伺服电机控制膝关节液压系统。整个反馈过程是真正意义因人而宜的

调整。完全个性化的分析，服务，为患者提供更多的舒适性，活动性和生活乐趣。

图1.1德国奥托博克(ottobock)的C-LEG智能仿生腿

1.2.2美国DARPA的EHPA研究项目

美国国防部高级研究项目局（DefenseAdvancedResearchProjects）于2000

年出资五千万美元用于资助对能够增强人体机能的外骨骼（Exoskeletonfor

HumanPerformance）的研究与开发，准备在近几年研制一种穿戴式的，具有自

适应能力的外骨骼系统，使士兵在穿着外骨骼后，行军能力大大提高，可以肩负

400磅（181公斤）的军用设备，连续运行至少4个小时。在战争中，外骨骼可

以使士兵作战能力大大增强，同时在士兵受伤后，可以起到一定的保护作用。

DARPA的该项目总共资助了多家研究机构，其中有四家负责设计和研制出

整套的外骨骼系统，他们分别为加州大学伯克利分校的人体工程实验室（HEL），

SARCOS机器人公司，橡树岭国家实验室（ORNL）公司，其他一些获得资助的

研究机构主要负责开发适用于外骨骼的动力供应设备。其中，加州大学伯克利分

校的人体工程实验室率先在2004年推出了他们的BLEEX（BerkeleyLower

ExtremityExoskeleton）外骨骼系统，如图1.2所示。该系统由两条动力驱动的仿

生金属腿、一个动力供应单元和一个用于负重的背包架组成。该系统使用混合动

力，即使用液压能驱动双腿行走，同时对随身携带的计算机供应电能。外骨骼