【《外骨骼机器人国内外研究现状的文献综述》4300字】

PAGEPAGE1外骨骼机器人国内外研究现状的文献综述早在二十世纪六十年代和七十年代，基于医疗和工业用途的外骨骼就已经被研制出来，直到九十年代，助力外骨骼才开始被研究。本文暂不讨论无源外骨骼机器人、大型超大型外骨骼机器人、车式或固定基座的外骨骼机器人，旨在研发具有一定柔性的、灵活的便携式外骨骼机器人。本文结合现有的外骨骼助力机器人，按照不同的驱动方式进行归类，简要地介绍一下国内外外骨骼机器人的发展情况。1.3.1外骨骼机器人现状1.电力驱动这种各关节由电机直接驱动的上肢助力外骨骼机器人，机械结构更加紧凑，对重物的搬、移、托、举可以较为灵活的实现。缺点是但各关节沉重，需要着重考虑重力补偿及平衡，且前端重量对肩关节电机负载影响大，需较大扭矩电机（尤其串联结构）；优点是结构简单、精度高、控制简单；就创新角度来看，创新空间小。国外此类驱动方式的典型代表有美国通用公司与德克萨斯大学奥斯汀分校联合研发的Harmony上肢外骨骼机器人[5]，如图1.1；国内主要代表有齐鲁工业大学上肢外骨骼机器人[6]，如图1.2、哈尔滨工业大学的一款并联式外骨骼机器人[7]，如图1.3。图1.1Harmony外骨骼机器人（上肢）Figure1.1Harmonyupperlimbexoskeletonrobot图1.2齐鲁工业大学上肢外骨骼机器人Figure1.2QiluUniversityofTechnologyupperlimbexoskeletonrobot图1.3哈尔滨工业大学的一款并联式外骨骼机器人Figure1.3AparallelexoskeletonrobotfromHarbinInstituteofTechnology电机-套索、电机-履带、电机-鲍登线传动型外骨骼机器人，此类外骨骼机器人的缺点是体积大、活动范围可能受限制、传动精度低；优点是具有一定柔性、前端重量对肩关节电机影响小；就创新角度来看，具有一定创新性。此类外骨骼机器人近几年的一些研究中，对于如何提高其承载能力也引入一些新的方法——重力平衡法，此法可以提高承载能力进而提高性能，相比单纯增加电机数量以及加力杆结构不需要做复杂改变，但缺点是平衡块使机构整体变重。以下分为别为国外、国内的两实例。西班牙IKO外骨骼见图1.4，采用电机-绳驱的驱动方式。具有助力、康复两种功能。突出优点是将其全部驱动源（电机）安装在了背部支撑板上，采用电机-绳驱方式，比在关节处布置电机的突出优点是，极大程度降低了电机自重量对前端运动的影响，降低了对末端电机的无用负载力矩。为了进行整体尺寸的缩小，进行了方案的创新，将全部驱动源（电机）安装在了背板上。华中科技大学的一款单臂上肢助力外骨骼机器人[8]，该外骨骼有10个自由度（被动和主动自由度各5个），多关节的设计使得外骨骼样机的机械结构与人体上肢的生理结构尽可能保持一致，如图1.5所示。肩关节三轴正交于一点、肘关节两轴交于一点并与人体肩关节的旋转中心相重合。该外骨骼采用电机-绳索进行驱动，首先将电机安装在背部支架上，然后各关节转动过程中所需的作用力则通过绳索进行传动。多自由度的设计使外骨骼的机械结构过于复杂，虽然具有较高的人机拟合度，缺点是增加了穿戴难度。图1.4西班牙IKO外骨骼机器人Figure1.4SpanishIKOexoskeletonrobot图1.5华中科技大学上肢外骨骼机器人Figure1.5UpperlimbexoskeletonrobotofHuazhongUniversityofScienceandTechnology下面进行一种柔性结构的并联肩关节设计介绍，见图1.6：图1.6柔性绳并联上肢外骨骼肩关节Figure1.6Flexibleropeparallelupperexoskeletonshoulderjoint该设计逐步将刚性并联机构抽象为柔性并联机构，见图1.7，减轻了机构本身重量以及对人体的负担，但显著缺点是控制复杂，传动精度不高，关节不能够很好的限位。图1.7肩关节混联机构Fig.1.7shoulderjointhybridmechanism电机-扭绳型外骨骼机器人，此类外骨骼机器人的优点是体积小、精度较高、有一定承载能力；缺点是力学参量具有明显非线性，制难度高、材料对性能有决定性影响、可能出现爬行；就创新型而言，创新性高。目前此类研究较少，例如中国矿业大学的一款基于扭绳原理的外骨骼机器人[9]，如图1.8。由于扭绳驱动器通过扭转线缆产生沿电机轴向的拉力，只能单向直线驱动如图1.9，为了使患者在康复训练过程中扭绳传动关节能够进行双向运动，采用双端逆向牵引传动方式，一端扭绳传动为主动端，另一端为驱动端。图1.8中国矿业大学外骨骼机器人Figure1.8ChinaUniversityofMiningandTechnologyexoskeletonrobot图1.9（a）扭绳驱动方式原理（b）扭绳驱动整体结构图Fig.1.9(a)Principleoftorsionalropedrivemode(b)Overallstructurediagramoftorsionalropedrive2.气压驱动气缸直接驱动型外骨骼机器人，基于传统铝材气缸，该类外骨骼机器人显著缺点是体积大；但优点是精度较高、性能稳定、承载能力强；就创新型而言，创新性低。如加州大学BONES外骨骼机器人[10]，见图1.10。图1.10BONES外骨骼机器人Figure1.10UniversityofCaliforniaBINESexoskeletonrobot气动-人造肌肉型外骨骼机器人，作为一种基于人体仿生学的新型驱动方式，各个院校及研究机构积极从不同材料入手对人造肌肉的性能进行研究，该类外骨骼机器人特点是模仿人体肌腱工作机理、具有一定柔性[20,21]、承载能力较高、体积小、重量轻；就创新性而言，创新空间很大（主要为材料方面）。如VictoriaW.Oguntosin等人[11]研发的外骨骼机器人见图1.11、燕山大学软质外骨骼[12]，见图1.12。图1.11聚乙烯人造肌肉外骨骼机器人（气动）Figure1.11Polyethylenepneumaticartificialmuscleexoskeletonrobot图1.12燕山大学软质外骨骼结构图Fig.1.12SoftexoskeletonstructurediagramofYanshanUniversity3.液压驱动液压缸直接驱动型外骨骼机器人，作为外骨骼机器人的鼻祖，该类外骨骼机器人的缺点是体积大、重量大；由于液压的传动特点，其优点是精度高，承载能力强；就创新性而言，创新性低，典型代表有美国哈迪曼单臂外骨骼机器人见图1.13，作为通用公司的第一代产品，Hardiman采用电机驱动方式，并在末端安装了力感应装置，用于感应操作者的工作意图，进而使其跟随人体完成相对应的工作[13]。值得注意的是，采用力矩控制方式后，可实现力量的放大，放大倍数大约为25倍，话说当操作者要举起250磅的重物时，只有10磅重物的感觉[14]。是一种更适合大型外骨骼的驱动方式。图1.13哈迪曼单臂外骨骼机器人Figure1.13Hardimansingle-armedexoskeletonrobot液压-绳驱类外骨骼机器人，该类外骨骼机器人的优点是重量适中、体积适中、承载能力强、前端重量影响小、缺点是性能受液压传动方式自身限制；就创新型而言，具有一定创新性，典型代表有国防科学技术大学上肢外骨骼机器人[15]，见图1.14。图1.14国防科学技术大学上肢外骨骼机器人Figure3.3.2UpperLimbExoskeletonRobotofNationalUniversityofDefenseTechnology4.其他新型驱动方式（记忆合金驱动为例）记忆合金驱动型外骨骼机器人，此类外骨骼机器人现有相关研究较少，技术还未成熟，主要是为了突破传统传动方式而进行的革新性研究，为该领域相关研究提供一种新思路，该类外骨骼机器人的优点是体积小、重量轻；缺点是承载能力小、容易出现自由度退化现象，机构难以实现旋转运动；就创新性而言，创新性高。2017年DCopaci等人设计了一款基于形状记忆合金的可穿戴上肢康复机器人装置如图1.15。该装置以形状记忆合金为柔性驱动器，可实现肘关节屈动作及前臂旋内/旋外两个自由度的康复动作。图1.15记忆合金上肢外骨骼机器人Figure1.15Shapememoryalloyupperlimbexoskeletonrobot1.3.1触觉传感器现状触觉传感器最早的相关研究起源于上世纪70年代左右，当时只是对于压力大小以及压力形状的研究，随着研究的不断深入，传感器的种类、功能不断增多[24]。迄今为止，触觉传感器根据不同的原理可分为电容式、压电式、压阻式、光电式和感应式五种类型[7]。电容式触觉传感器原理：，借助了平行板电容器原理，在外部压力下两块板的间距变化，引起了电容值变化，将力信号转化为了电信号。具有以下突出优点：空间分辨率高，测量范围大，动态及微小压力测量效果好。传感器的研究和优化主要是电极材料和介电层材料的优化。例如，2014年，B.C.K。Tee和新加坡材料研究与工程学院的其他成员，研究了在电容式触觉传感器使用不同的机械结构的弹性体作为介电层材料进行对比，发现金字塔结构是可以将材料的机械模量降低一个数量级的最佳形状[22]。中国浙江大学的G.Liang等研究人员在2015年进一步提出了一种带有PDMS截头形式的金字塔结构的传感器阵列[9]，如图1.16所示。图1.16金字塔结构介质层的电容式触觉传感器Fig.1.16Capacitivetactilesensorwithpyramidaldielectriclayer电阻触觉传感器利用介质层材料电阻率随外部压力变化的情况，将压力信号转换成电信号。实现对触觉的测量，对环境噪声有很好的鲁棒性[24]，主要是优化中间介质层来提高电阻式触觉传感器的性能。例如，2017年韩国SKKU的PhiTienHoang,HoaPhung等人研究的新型的柔性压阻式触觉传感器[11]，见图1.17。为了进一步提元件的机械性能，还在导电聚合物里面混合了亲水聚合物。图1.17压阻式触觉传感器Fig.1.17Piezoresistivetactilesensor压电触觉传感器有主动式和被动式。被动式是利用压电效应，产生极化电荷，把力学信号变为电学信号。主动式是使用逆压电效应，压电触觉传感器具有动态测量效果好，频率响应高的优点。2008年CuhunyanLi,Pei-MingWu等人开发出的薄膜压电式柔性触觉传感器[12]，见图1.18。图1.18压电式触觉传感器Fig.1.18Piezoelectrictactilesensor光电式触觉传感器主要作用：将输入的力信号变成相应的光信号进行输出。传感器由光源、传输介质和探测器组成[26]。光电式触觉传感器具有分辨率高，线性度好，测量范围大以及信噪比高等优良特性。例如电子三星半导体公司将POF嵌入硅胶形，以发光二极管和图像传感器分别作为光源和检测器制作出的传感器[25]，见图1.19。电感式触觉传感器原理：电磁感应的原理，将力信号转为相应的电信号,从而完成触面上压力的检测。最早的触觉传感器就是电感式触觉传感器，每个测量单元对应一个激励线圈来进行供电[15]。图1.19光电式触觉传感器原理示意图Fig.1.19Schematicdiagramofphotoelectrictactilesensor综上所述，结构方面，介电层以及电极材料方面研究基本成熟。对触觉传感器的进一步优化的重点逐渐放在应用方面：对于大面积阵列传感器的接线问题的优化；触觉信号的处理。本课题使用的传感器是根据现有传感器的发展情况，市面可以购买到的一种触觉传感器。参考文献[1]RenY,KangSH,ParkHS,etal.DevelopingaMulti-JointUpperLimbExoskeletonRobotforDiagnosis,Therapy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