运动协助型机械外骨骼的数学建模以及协同控制策略研究(2)
。 与此同时，在 2006 年进行的第二次全国残疾人抽样调查结果中显示，相比 1987
年第一次调查，我国残疾人总数明显增多，从5146万增加到8296万。结果中还显示，
肢体残疾是所有残疾中人数最多并且增长最快的，共有 2412 万人，占总人口的29.1%[2]。
基于此，各国科学家们多年来不断加强康复理论的研究，以期能帮助老年人和残
疾人重获行走能力。现有的大多数康复技术都是利用人工或者简单的康复医疗设备进
行，但这种方法工作量大，效率低，且康复效果不显著。因此，已经有许多国家研制
智能新型的机械外骨骼。外骨骼是一种融合了生物仿生、机电传感、控制驱动等多学
科技术的人机一体化装置，它能为穿戴者提供如身体支撑、运动辅助等功能，保证人机协同控制[3]。
本文将对运动协助型机械外骨骼进行建模和控制方法研究，以构建出一个康复增
力型下肢助行机器人系统。
1．2 国内外研究现状
除了早期的专利以及科幻小说中提到过外骨骼设备之外，对人体外骨骼的研究开
始于20世纪60年代末[3]
，发展至今，国外的外骨骼技术已经遥遥领先，而国内于 2004
年左右才开始起步，研究成果较少。
1.2.1 国外研究现状
美国的EHPA外骨骼项目
美国国防部高级研究所(DARPA：Defense Advanced Research Project Agency)于
2000 年开展了一个“增强人体机能外骨骼”(EHPA：Exoskeleton for Human Per-
formance Augmentation)的研究项目，这个项目旨在增强士兵的负载能力。在EHPA持
续的过程中，有很多机构开发了外骨骼及一些与外骨骼相关的技术[4]
。
A．加州大学伯克利分校研制了“伯克利外骨骼”(BLEEX：Berkeley Lower
Extremity Exoskeleton)，如图1.1所示。它是目前最常见的外骨骼，也是第一个自带移
动电源且能负重的外骨骼机器人。BLEEX 的能量来源于液压传动系统，该系统放置
在背包式支架中。BLEEX 通过双向线性液压缸来驱动，采用灵敏度放大控制，它的
控制方案旨在减少使用者与外骨骼之间的交互感官信息，相对的，主要运用外骨骼的
感官信息，即控制器的估算值仅基于外骨骼测量值[5]
。实验研究表明，穿着 BLEEX
可以0.9m/s的速度行走并支持高达75kg的负重，不带负载时可以达到1.3m/s [6]。
B．美国犹他州盐湖城的Sarcos研究公司在EHPA项目的支持下开发了一种全身
性的“可穿戴能量自动化机器人” (WEAR： Wearable Energetically Autonomous Robot)，
如图1.2所示。WEAR 和BLEEX相似，都采用液压系统将力传送给外骨骼，但它采
用的是回转液动执行器并且直接安装在设备的供电关节处， WEAR也利用外骨骼机器
人与穿戴者之间力的传感来实现控制[7]
。WEAR的样机进行了成功的实验，完成了一
系列动作。如：可支撑的所有负载达到84kg[8]
。在EHPA项目结束后，Sarcos公司获
得了美国军队士兵项目执行办公室的支持，得以继续开发他们的外骨骼技术用于单兵
作战，但有关Sarcos外骨骼进一步的设计和性能资料少有公开。
C． 麻省理工学院 (MIT) 媒介实验室中的生物机电小组在EHPA项目的第二阶段
提出了一个“准被动外骨骼”的概念，如图1.3。它旨在开拓人体行走时的能量转换
来构建更轻更高效的外骨骼设备。MIT外骨骼采用准被动的设计，即在节点处不使用
任何执行器来增加动力，而是完全依赖于在行走步态周期相位中储存在弹簧中的能
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