1、机械外骨骼概述

外骨骼一词最早出现在生物学中，其指的是昆虫和壳类动物为提高防护和支撑作用而产生的坚硬外壳[2]，人类以此为启发，设计出一种类似的能够提高人体机能，却又能保持人体活动的自由和灵活的外穿机械，即现在的机械外骨骼。

机械外骨骼系统是一种为了实现力量的增强和感官的延伸，穿戴在操作者身体外部的，融入了先进控制、信息、机械等技术的人机电系统[3]。其最初被设想应用于医学和军事领域，然而随着机器人技术、认知科学等学科的发展。现在其不仅在医疗复健，军事应用方面有所建树，在文化娱乐，提高生产效率等民用方面也具有广阔的发展前景。

2、机械外骨骼研究现状

机械外骨骼最早的实体出现在19世纪末，为Yagn设计的用于辅助人类行走的装置，然后在很长时间内，由于技术限制，机械外骨骼领域并没有受到重视。

直到20世纪末，随着控制技术，材料技术，传感技术，电子技术等与机械外骨骼息息相关的技术的逐步纯熟，掀起了一股对机械外骨骼的研究热潮，全球学者都在试图发掘这一新兴领域的无尽潜力。

Raytheon公司的XOS如图1.1所示，是一款由结构、 传感器、执行器和控制器和高压液压几大系统组成的全身外骨骼系统，能帮助穿戴者轻易地举起200磅重物几百次。

图1.1 Raytheon公司的XOS               图1.2 Breakley的BLEEX

加州大学Breakley分校的下肢外骨骼BLEEX[4]如图1.2所示，是由两个拟人的腿、一个电源单元、一个背包状框和动力机构等机构组成的自供电的外骨骼，所有的电子单元通过一个全身的局域网连接到一起，采用灵敏度放大控制和位置控制相结合的控制策略，可以让人轻松地蹲下、弯腰、走路和上下斜坡。

以色列的Argo医疗技术公司推出的rewalk[5]是一种由轻量可穿戴的支撑结构、执行电机、传感系统、计算机控制系统和电源系统组成，可以通过对上身运动进行分析，来触发和维持步态和其他操作的外骨骼系统。主要用于帮助下肢功能障碍者行走、站立和上下楼梯。

在日本，神奈川理工学院（KIT）[6]设计的“可穿戴动力服装”在 胳膊、肩、腰和腿有气泵驱动的气动执行机构，用来帮助护士照料体重较大或根本无法行走的病人。

以上为国外较为典型的机械外骨骼研究，我国虽然对机械外骨骼研究的起步较晚，但也有不少不俗的研究成果。

浙江大学关于外骨骼的研究包括：（1）采用气动驱动方式，利用前脚掌和后脚跟处的足底压力信号作为步态综合层的输入信号，去触发驱动器的相应动作的可穿戴式下肢辅助行走外骨骼机构[7]，如图1.5所示；（2）采用电机驱动方式，基于肌电信号控制的自主运动的康复医疗下肢外骨骼；（3）采用电机驱动方式，在下肢髋关节和膝关节布置两个旋转运动副的悬挂式下肢协助康复外骨骼， 采用电机驱动，可完成踝关节3自由度的被动运动的踝关节外骨骼原型系统。

哈尔滨工业大学的外骨骼是分别针对上肢和下肢的康复训练所设计的。第一个研究方向是针对下肢残疾患者的助力机器腿；第二个研究方向是一款面向偏瘫患者的外骨骼[8]，如图1.6所示。为能够满足不同患者不同训练阶段的需要，其还提出了基于表面肌电信号和关节力矩的进阶交互式康复训练策略。

3、机械外骨骼发展趋势

机械外骨骼在国际上也算是前沿课题，现在机械骼的设计与实现过程中主要涉及的发展技术有以下几种。

3.1、人机接口技术[9]

在理想状态下，人可以通过将电子元件植入入到颈椎或脑组织中，从而让人脑发出信号直接控制机械外骨骼工作，然而现今的科技难以达到这样的操作，机械外骨骼往往是通过外部设备被人所控制。