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基于人机信息交互的助行外骨骼机器人技术进展
资料介绍
外骨骼机器人是集人体信息检测、机器人自动控制、神经工程等多学科知识于一身的高科技成果.本文简要介绍了外骨骼机器人研发技术现状和应用市场前景,分别从外骨骼动力驱动和运动测量技术角度剖析了支撑典型外骨骼机器人实现其运动辅助功能的主要技术基础,重点从神经信息交互角度出发,讨论了构建人机信息交互环路中的技术瓶颈,以及如何更为高效准确地获取人体运动意图.最后展望了其未来技术研发方向.
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（完整内容请下载后查看）第 43 卷 第 7 期
2017 年 7 月
自
动
化
学
报
Vol. 43, No. 7
July, 2017
ACTA AUTOMATICA SINICA
基于人机信息交互的助行外骨骼机器人技术进展
蒋晟龙 1
2
2
2
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2
明 东 1
王忠鹏 1
綦宏志 1
万柏坤 1
摘
要
外骨骼机器人是集人体信息检测、机器人自动控制、神经工程等多学科知识于一身的高科技成果. 本文简要介绍了外
骨骼机器人研发技术现状和应用市场前景, 分别从外骨骼动力驱动和运动测量技术角度剖析了支撑典型外骨骼机器人实现其
运动辅助功能的主要技术基础, 重点从神经信息交互角度出发, 讨论了构建人机信息交互环路中的技术瓶颈, 以及如何更为高
效准确地获取人体运动意图. 最后展望了其未来技术研发方向.
关键词 康复机器人, 外骨骼, 人机信息环路, 运动意图识别, 神经可塑性
引用格式 明东, 蒋晟龙, 王忠鹏, 綦宏志, 万柏坤. 基于人机信息交互的助行外骨骼机器人技术进展. 自动化学报, 2017,
43(7): 1089-1100
DOI 10.16383/j.aas.2017.c160032
Review of Walk Assistant Exoskeleton Technology: Human-machine Interaction
2
2
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MING Dong1
JIANG Sheng-Long1
WANG Zhong-Peng1
QI Hong-Zhi1
WAN Bai-Kun1
Abstract Exoskeleton is a cross-disciplinary high-tech technology which concerns human signal detection, robot auto-
matic control, neural engineering and so on. This review briefly introduces the status-of-the-art of exoskeleton technology
and its market applications, and analyzes the key technical foundations of robot-assisted locomotor function in dynamics
drive and kinematics measurement technique, with the emphasis on neural information interaction. Technical bottle-
necks in closed-loop human-machine interaction, and how to recognize motor intention more efficiently and accurately are
discussed. Finally, the future development direction is prospected.
Key words Rehabilitation robot, exoskeleton, closed-loop human-machine interaction, motor intention recognition,
neural plasticity
Citation Ming Dong, Jiang Sheng-Long, Wang Zhong-Peng, Qi Hong-Zhi, Wan Bai-Kun. Review of walk assistant
exoskeleton technology: human-machine interaction. Acta Automatica Sinica, 2017, 43(7): 1089-1100
年巴西足球世界杯开幕式上 一名下肢瘫
痪少年穿着智能机械骨骼外衣开球的飒爽英姿劲爆
了全场 首次向全球展示了外骨骼机器人的异样风
采 也使这个集人机信息交互、机器人自动控制、神
经康复工程等多学科知识于一身的高科技新成果引
起世人瞩目
部骨骼肌随意运动障碍甚至瘫痪的根源[1] 其中
尤以脊髓损伤对运动机能危害最大、劳动力丧失最
甚、康复治疗时程最长、家庭及社会负担最重 且
我国患病率高于欧美发达国家[2] 脑卒中则是造
成运动机能障碍的另一个主要杀手 也是目前致残
率
～
最高的疾病之一 且以每年持续近
速率增长[3]、并呈年轻化趋势 持久性地严重危
众所周知 各种运动中枢神经或者外周神经损
伤病变如脊髓损伤
、脑
害患者健康 同样给家庭及社会带来沉重负担[4]
运动机能障碍或身体局部瘫痪的治疗主要依靠
康复医学 通过修补病变与受损运动骨骼肌肉及周
围神经组织 或采用运动辅具帮助与替代瘫痪肢体
动作 使患者经长期康复运动训练后可在生理 结构
康复 基础上恢复少量或大部分原有运动功能 达
到 功能康复 状态 随着医疗技术提高、科技水
平发展和社会文明进步 康复医学不仅受到前所未
有的重视 我国 十二五 科技规划执行时期即提出
年初步实现残疾患者 人人享有康复服务
卒中偏瘫后遗症、小儿麻痹症、帕金森症、肌萎缩
性脊髓侧索硬化症等常见、多发病症是导致患者局
收稿日期 2016-01-14 录用日期 2017-03-02
Manuscript received January 14, 2016; accepted March 2, 2017
国家自然科学基金 (81630051, 91520205, 91648122) 资助
Supported by National Natural Science Foundation of China
(81630051, 91520205, 91648122)
本文责任编委 程龙
Recommended by Associate Editor CHENG Long
1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院生物医学工程系 天津 300072
2. 天津大学医学工程与转化医学研究院天津大学神经工程中心 天津
300072
1. Department of Biomedical Engineering, College of Precision
Instruments & Optoelectronics Engineering, Tianjin University,
Tianjin 300072 2. Tianjin International Joint Research Center
for Neural Engineering, Academy of Medical Engineering and
Translational Medicine, Tianjin University, Tianjin 300072
而且关注核心目标也逐步由传统 结构康复 转为
功能康复 即侧重于患者运动功能的重建、替代、
训练和适应 致力于改善身心健康水平、提高患者生
存质量[5] 康复训练形式也从被动式单纯肢体重复
1090
自
动
化
学
报
43 卷
运动训练提升为主动式基于大脑思维控制的智能化
人机交互式运动功能康复 前述智能机械骨骼外衣
即其典型代表 不仅可以很好地帮助患者恢复或替
代其受损的肢体运动功能 而且能赋予用户更多更
高级的操作功能 使之身随意动 功力无比
亿美元上升到
亿美元 其创新动力源于运
动检测与辅助、智能人机交互等外骨骼核心技术的
快速发展
2 运动辅助技术
本文先介绍助行外骨骼机器人总体研发技术现
状和应用市场前景 再从外骨骼动力驱动和运动学
测量技术角度综述实现外骨骼机器人运动功能的典
型技术 重点分析其中智能化核心技术 大脑运动
意图识别与人机信息交互与融合 最后预期可能促
进该领域发展的一些新技术 以供读者参考 旨在共
同把握智能康复未来 推动其快速发展和成熟应用
外骨骼机器人设计与研发旨在采用机器运动辅
助技术实现预定的人体运动功能 本节针对运动辅
助技术 实现机器人运动功能的典型技术之一 的关
键环节 分别从外骨骼动力驱动和运动学测量技术
角度予以综述
外骨骼动力输出
外骨骼动力驱动是输出预定机器运动模式、实
现人体运动功能的重要技术前提 有液压、电机、气
动 人工肌肉 及混合 与功能性电刺激作用相结合
等多种驱动输出方式
1 研究现状和市场前景
早在
年美国通用电气公司即研制出人体
观其含义 坚强
外骨骼助力机器人
液压驱动方式
研发初衷为单纯增强人的体力、成为 巨人 但因
其结构过于复杂笨重 未能实际使用 直到进入
世纪 随着自动控制与机器人技术的快速发展 外骨
年 美国加州大学伯克利分校机器人和
人体工程实验室创立的
美国军事科技巨头
公司联合
公司研制并
骼机器人才进入全新发展阶段 多家国际知名大学、
公司投入到与其相关的研究与开发工作中 主要有
美国国防部先进研究项目局
发布了通过液压系统驱动的人类外骨骼负重系统
承重力 见图 主要用于提高
作战士兵的装备负重能力[7] 我国西北机电工程
研究所于 年首次公开展示的穿戴式外骨骼助
斥巨资研发
军用外骨骼机器人 典型代表为雷神
力机器人 是国内公开的首款单兵外骨骼系统 图
其采用了小型液压驱动装置作为动力源 以
多关节金属骨架为穿戴者提供支撑 结合具有一定
学习功能的人机协同控制算法 达到提高单兵负载
能力的目的 该驱动方式的外骨骼机器人承载能力
较强、姿态控制平顺 但液压驱动响应速度不足、控
制过程中机械能量损失较大 并且液压阀门结构复
杂 故虽然液压是外骨骼机器人的重要驱动方式之
一 但较少用于康复领域
公司的
和洛马
公司的人
类外骨骼负重系统
同时 外骨骼机器人应用领域向康复医疗
延伸 希望未来改进肢体瘫痪患者的康复效果和生
活质量 其中较著名的有 美国
公司
的
、日本
、以色列
系列、瑞士
于室内行走训练 、新西兰
无需上肢支撑为其特点 和美国
公司的 等 以上公司皆脱胎于知名大学研究
团队 此外 哈佛大学、麻省理工学院、西班牙国
研究中心和中国科学院等高等院校与科研机
构也在长期从事相关研究工作 其中最引人注目的
成果即前述为 年巴西世界杯开球的智能机械
公司的
公司的
主要用
公司的
公司的
立
骨骼外衣 美国杜克大学和德国慕尼黑理工大学联
合研发 令人确信 将有更多高科技公司从事外骨
骼机器人的技术研究与产品开发 国际专业市场研
究公司
关于康复 医疗机器人、智能假肢、外骨骼和可穿戴
机器人市场 占有率、策略、预测研究报
告指出[6] 近几年市场增长惊人、有望获得显著发
于
年发布的
～
图 1 采用液压驱动的外骨骼助力机器人
展 估计市场规模到
年将由
年的
亿
Fig. 1 Power assisted skeleton driven by hydraulic
美元急速攀升到
亿美元 其中外骨骼机器人将由
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