外骨骼国内外研究现状综述

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国外研究动态早在二十世纪六七十年代，美国通用电气公司开发测试的一种称为哈迪曼（Ｈａｒｄｉｍａｎ）的外骨骼装置,Hardiman采用电机驱动方式，可以像举起10磅那样来举起 250 磅的重物，但是由于技术的限制，Hardiman只实现了一只手臂的控制，慢慢停止了发展[10]。麻省理工学院从1978年也开始了研究，但是目前看起来比较有希望的是一家坐落在盐湖城的公司，这家叫做Sarcos的公司在1983年就开始了这方面的探索，公司创始人斯蒂芬•雅克布森（Stephen Jocabsen）亲切地叫它XOS,2000年XOS从14个类似的装备中脱颖而出，被美国国防部高级研究计划署选中，并且把打算它应用在军队中,这项研究在高级研究计划署的资金支持下开始迅速发展，后来Sarcos被美国一家国防部承包商雷神（Raytheon）公司收购，2010年雷神公司公布了其最新版Sarcos XOS2军用外骨骼[11]。61133

在2001年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）决心要克服外骨骼的发展上的技术问题。DARPA拨出5000万美元用于为期5年的的用以军事用途的外骨骼项目开发工作，以研制新一代的基于外骨骼的单兵作战装置。这套作战外骨骼系统不仅自身具有能源供应装置，提供保护功能。而且集成了大量的作战武器系统和现代化的通讯系统，传感系统以及生命维持系统，从而把士兵从一个普通的战士武装成一个超人[12]。由此可见外骨骼装备可以轻松有效地提高士兵的单兵作战能力文献综述。

日本筑波大学的机械人专家三阶吉行和他的同事们在2004年创建了一个叫做 “Cyberdyne”的公司，开始把他们花了十年时间研制的动力外骨骼推向市场。在2011年的7月，日本筑波大学公布一款名为混合辅助机械套装的外骨骼。该套装通过垫片与身体的特殊部位相连接，能够探测到微弱的生物电信号，垫片与肢体运动相一致，当使用者穿着该套装试图移动时，从大脑释放的神经信号将通过运动神经元传输至肌肉组肢，最终将产生肌骨系统的移动。这种动力外骨骼叫做HAL，是人体辅助义肢（Hybrid Assistive Limb）的缩写，主要用于医疗领域，帮助残障者行动和伤患恢复健康，以及为护士们助力。现在已经有了上市的产品，当然和军用标准相距甚远。该装置能帮助残疾人以每小时4千米的速度行走，毫不费力地爬楼梯。据美国《时代周刊》2006年8月14日报道，颈部以下瘫痪的日本残疾人内田靖史(Seiji Uchida)在登山家朋友和HAL系统的帮助下，登上欧洲最高峰-瑞士阿尔卑斯山海拔4164米的布来特峰[12]。

目前的十大机器外骨骼分别是日本科技公司“赛百达因”(Cyberdyne)研制的HAL-5（如图1.2所示），由日本公司Tmsuk于1994年3月设计的救援机器人T52 Enryu，日本的松下充气式外骨骼，美国国防高级研究计划局(DARPA)设计的伯克利•布里克外骨骼，美国阿拉斯加州的工程师卡洛斯•欧文斯发明的机甲外骨骼，Stelarc外骨骼，由美国弗吉尼亚理工大学被人枪杀的凯文•格拉纳塔教授研制的被谋杀教授步行辅助设备（如图1.3所示），由美国密歇根州大学的神经力学试验室设计的脑控外骨骼系统，Springwalker外骨骼（如图1.4所示），由美国特拉华州大学研制的引力平衡腿部矫形器[13]。

2 国内研究动态

自20世纪90年代以来，我国陆续开始了外骨骼的相关研究。

上海交通大学的田社平等运用零极点配置自适应预测控制、非线性逆系统控制以及基于神经网络方法，实现单自由度关节的快速、高精度位置控制[14]。北京理工大学的彭光正等先后进行了单根人工肌肉、单个运动关节以及3 自由度球面并联机器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神经网络等多种智能控制算法，并设计了6 足爬行机器人和17 自由度仿人五指灵巧手[15]。