外骨骼机器人控制方法综述_杨智勇

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1、第24卷第5期海军航空工程学院学报Vol.24No.52009年9月JournalofNavalAeronauticalandAstronauticalUniversitySep.2009文章编号：1673−1522（2009）05-0520−07外骨骼机器人控制方法综述abccd杨智勇，张静，归丽华，张远山，杨秀霞（海军航空工程学院a．七系；b．电子信息工程系；c．研究生管理大队；d．控制工程系，山东烟台264001）摘要：外骨骼是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的一种人机结合的机器人，它可以辅助人承受负

2、载，有效增强人的负重能力，帮助人们在各种复杂地形上面行走。外骨骼技术是一种复杂的人机技术，在国际上发展迅速，但在我国还处于起步阶段。文章介绍了外骨骼技术的研究现状，详细论述了外骨骼的控制目标和各种控制方法，希望引起研究人员对外骨骼技术发展的重视，促进我国在外骨骼领域的发展。关键词：外骨骼；机器人；能量辅助；人机结合中图分类号：TP24文献标志码：A的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑0引言等功能，同时又融合了传感、控制、驱动、信息融现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人合等机器人技术，使得外骨骼能够在操作者

3、的控制可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运下完成一定的功能和任务，本文中的外骨骼将指人沉重的负载等。虽然现代机器人控制技术有了长足工外骨骼机器人。的发展，还远达不到人的智力水平，包括决策能力1背景和对环境的感知能力。与此同时，人类所具有的智[3]能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完外骨骼系统的最早研究始于20世纪60年代。成的任务不受人的智能的约束，而仅受人的体能的1962年，美国空军就要求康奈尔航空实验室进行一限制。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的项采用主从控制方式的人力放大器系统的可行性研[

4、4]机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前究。从1960年到1971年，美国通用电器公司开[1]所未有的变化，这便是外骨骼机器人的设计思想。始研发一种基于主从控制的外骨骼原型机，名字叫[2]外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，做“Hardiman”，如图1所示。外骨骼这一名词来源于生物学中的外骨骼这一概念。在生物学中外骨骼的解释为：为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构，例如甲壳类动物或者昆虫的外壳。外骨骼是无脊椎动物的一个重要组成部分，对无脊椎动物具有重要意义，它能支撑躯体，保护身体的重要器官，提供敏捷的运动

5、能力以及感知环境，许多重要的感觉器官都附着在外骨骼上。正是有了外骨骼，才使得无脊椎动物成为我们这个星球上分布最广泛的动物。外骨骼具有的多个优点引起了科学家的极大兴趣，并纷纷从仿生学的角度图1Hardiman外骨骼系统出发，开始研究人工外骨骼。外骨骼机器人就是一种人工外骨骼，也是一种机械机构，穿戴在操作者Hardiman采用电机驱动方式，可以像举起10收稿日期：2009-01-03；修回日期：2009-05-21基金项目：国家自然科学基金（60705030）作者简介：杨智勇（1977−），男，讲师，博士生。第5期杨智勇

6、等：外骨骼机器人控制方法综述·521·[16-18][19-21]磅那样来举起250磅的重物。但是，由于技术的限运动的外骨骼和上肢外骨骼出现。制，Hardiman只实现了一只手臂的控制，慢慢停止外骨骼种类多样，控制方法也各有不同。从结了发展。同时期进行外骨骼研究的还有贝尔格莱德构上来说，可以分为下肢外骨骼和上肢外骨骼，从大学的Vukobratovic等人，他们的研究主要用于辅功能上来说，可以分为两种：一种是辅助老年人、[5-6]助下肢瘫痪患者进行运动康复。尽管只实现了部残疾人、运动功能部分丧失的病人行走和康复的外分运

7、动形式，但是研究过程中得到的平衡算法在双骨骼；另一种就是用于增强正常人人体机能的外骨足步行机器人中得到了广泛应用。骼。而用于增强正常人机能的下肢外骨骼在外骨骼到了上世纪90年代，由于传感技术、材料技术的发展中占有重要地位，本文主要从控制的角度来和控制技术的发展，对外骨骼技术的研究大规模展分析一下针对这种外骨骼的控制方法。开。早期的外骨骼仅仅作为一个人机界面来使用，[7]如机器人遥操作系统中的主机械手，人体手臂或[8-9]手指位姿检测等。90年代中期，力反馈技术和触觉反馈技术开始广泛应用与外骨骼系统。采用力反馈技术后，

8、遥操作的真实感得到增强，控制的效果比以前得到很大的提高，外骨骼在很多领域得到[8]了应用。进入21世纪后，由于能源技术、微驱动技术、材料科学、信息技术的发展，各种类型的外骨骼雨后春笋般浮现，外骨骼也逐步向实用化方向发展，比如日本筑波大学Cybernics实验室研制出的世界上第一种商业外骨骼机器人HybridAssistive图3美国BLEXX外