韩扬卓 成都体育学院

一、研究目的

随着自动化技术的发展，航空航天领域、医疗康复领域、工业领域、军事领域、体育运动领域都需求具有人体机能辅助功能的机器人研究取得重大突破。外骨骼机器人可以把机器人的体力与人体的智力进行完美的结合，它作为一种能够辅助并提高人体机能的穿戴式机器人，具有非常广泛的应用价值，可以实现单纯机器人不能实现的复杂的运动。目前，外骨骼机器人的动力来源主要是电力、液压、气压等，存在质量重、成本高、使用不方便等问题。而无动力外骨骼机器人是不借助能源设备和非自然的外力来驱动，利用使用者自身来操作的外骨骼机器人。本文对有关无动力和动力外骨骼机器人的研究进行综述，为机器人研究提供一定的理论意义和实践价值。

二、研究方法

本文以“Unpowered；Powered；Exoskeleton；Robot”通过CNKI、PubMed、Web of Science、Sport discuss 等数据库中检索，对文献进行归纳总结，共纳入有效文献43篇，试图综述无动力与动力外骨骼机器人的对比研究进展。

三、研究结果

动力外骨骼与无动力外骨骼机器人的比较：1动力来源 动力外骨骼机器人的动力来源主要是液压、气压、电力等，在一定程度上在助力以及康复等方面有显著效果，但存在质量重、使用不方便、成本高、能源及续航等问题。而无动力外骨骼机器人是基于生物学和人体解剖学，主要由机械支架、无动力弹性元件及连接件构成，分别对应人体运动系统中的骨骼、肌肉和肌腱，是动力学、机械工程和仿生学的完美结合。弹簧好似人体肌肉和肌腱的配合可以储存、释放、传导形变势能，循环利用人体运动过程中的能量，从而降低穿戴者运动的能量消耗，质量轻、成本低，使用方便。2自身重量及舒适性 动力外骨骼机器人的骨架是由金属连杆组成的刚性结构，自身体积比较大，且比较笨重，穿戴时需要将下肢外骨骼与穿戴者腰部、大腿或小腿及脚部用绑缚带连接在一起。当穿戴者行走时，人体与外骨骼连杆结构一起运动，使自然行走步态受到干扰，行走习惯发生改变。此外，由于下肢外骨骼的各关节运动轴运动轨迹与穿戴者运动轴的运动轨迹很难完全匹配，导致行走时外骨骼与人腿之间存在一定的相对运动，影响穿戴者的舒适和体验。无动力外骨骼机器人主要由机械支架、无动力弹性元件及连接件构成，它是仿生构型基于人体的运动复现，能够因人而异进行尺寸的调节；结构紧凑、材料密度低，刚柔结合，也满足了轻量化的使用要求；无动力外骨骼将人机结合，人是运动的主体，机器起到辅助作用，使用时穿戴方便。3续航性 动力外骨骼机器人携带的电池由于自身重量限制的影响以及电池能量密度的影响，续航时间一般较短。而无动力外骨骼机器人主要通过生物力学，骨骼肌以及弹簧来实现，很少会有能源不足的状况出现。4精准度 人体结构复杂，由于受到传感器和驱动器自身性能的影响，再加上动力外骨骼本身质量重，在运动过程很难快速、精准地得到驱动关节的转动速度、转动力矩、人体倾斜度、脚底压力分布、速度、脑电和肌电等运动及姿态信息，并未能实现许多信息的及时融合以及人机的高效协同作用。目前，无动力外骨骼助力机器人使用的是弹簧，虽然是基于人体解剖学和生物学，但是在一定程度上人体与外骨骼机器人的关节轴线还是存在着一定的偏差，导致精准度降低。为了解决人机轴线不重合问题，很多研究进行了许多尝试，例如研发自动校准带轮、导轨滑块结构，增加多个连接关节、被动自由度等等，但效果都不理想，因此这仍是今后的研究重点。5经济性 动力性外骨骼机器人结构复杂，且存在能源问题，造价高昂，但是适用于瘫痪或者抢险救灾。而无动力的被动弹性装置可以大大减少行走所需的肌肉力量和代谢能量，而不需要改变运动方式。当最佳设计时，这样的设备可能允许肌肉功能缺陷的患者独立运动。

四、研究结论

综上所述，动力外骨骼机器人适用于康复、航天、工业、抢险救灾等需要动力大，防护性强的领域；而无动外骨骼更加适用于助力助行，或者在康复后期的有一定自主运动能力的人，它所产生的动力小，对受试者自身重量也有限制。因此在选择使用外骨骼机器人时应综合考虑选择，但不论是动力型还是无动力型都没有很高的精准度，这也是后期研究的重点，试验时应当考虑进去。