下肢外骨骼機器人是旨在幫助患有步行障礙的人重新獲得腿部和關節的力量，以實現站立和行走等功能的可穿戴設備。與包含剛性機構的傳統機器人相比，具有柔順特性的下肢外骨骼機器人能在被動式彈性元件中儲存和釋放能量，同時最大限度地減少由于沖擊引起的反作用力，提高人機交互的安全性。本文從驅動柔順和關節柔順兩方面對下肢外骨骼機器人柔順特性進行綜述，分類介紹增強型、輔助型、康復型下肢外骨骼機器人，并對該領域未來發展趨勢進行展望。
引用本文： 佀國寧, 黃琬婷, 李根生, 徐飛, 褚夢秋, 劉婧芳. 下肢外骨骼機器人柔順特性的研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(1): 157-163. doi: 10.7507/1001-5515.201804023 復制
引言
下肢外骨骼機器人是一種可穿戴的仿生裝置，將人類智能與機械設備相結合，通過在人體關節處配備高性能的驅動器以及內置的多傳感器系統，可獲得穿戴者的運動軌跡并控制機器人提供相應的驅動以進行輔助運動[1]。目前國內外對下肢外骨骼機器人的研究取得了一定的進展，主要集中在增強人體身體素質和恢復腿部關節力量兩方面，可提高士兵單兵作戰能力以及幫助因腿部功能受損而導致步行不便的人重新站立或行走。
傳統的下肢外骨骼機器人多采用剛性機構，以實現精確和快速的位置控制，具有良好的軌跡重復性，但剛性機構不能處理外部沖擊，無法適應不可預測的環境，并且會消耗大量能量，不利于良好的人機交互。驅動柔順是指通過采用彈性驅動器、液壓驅動器和氣壓驅動器來實現驅動上的柔順，而關節柔順則是采用在關節處增加彈性元件，利用自身的彈性變形完成構件間的能量傳遞，達到關節柔順的目的。柔性機構具有能夠最大限度地減少沖擊引起的反作用力，并在被動式彈性元件中儲存和釋放能量的優點，因此國內外學者對柔順特性在下肢外骨骼機器人中的應用進行了研究，本文將從驅動柔順和關節柔順兩個方面對下肢外骨骼機器人柔順特性的研究現狀進行綜述，并結合國內外需求展望其未來發展方向。
1 下肢外骨骼機器人
下肢外骨骼機器人是一種通過髖關節、膝關節或踝關節給予下肢支撐的可穿戴設備，旨在運動過程中提高使用者的運動能力。根據其應用領域的不同，可分為增強型、輔助型和康復型下肢外骨骼機器人。
增強型外骨骼機器人旨在增強人體運動的特性，如力量、耐力及速度。典型的如：Kim 等[2]設計的液壓式下肢外骨骼機器人（hydraulic lower extremity exoskeleton robot, HLEER）和西北工業大學王海蓮等[3]設計的下肢外骨骼機器人等，就是為了提高軍事運動時士兵的負重能力而設計制造的；而 Pratt 等[4]設計的膝關節機器人（robot knee, Roboknee）和 Ouyang 等[5]設計的含新型緊湊型液壓驅動單元（compact hydraulic power unit, CHPU）的外骨骼機器人則用于提高步行時的力量、耐力及攀爬能力。
輔助型外骨骼機器人的目標是補償因傷害、創傷或虛弱造成的運動能力喪失，它為受損關節提供人工支撐的同時與其他部位共同輔助患者運動。典型的如：Hussain 等[6]設計的含氣動肌肉驅動器的下肢外骨骼（lower limb exoskeleton by pneumatic muscle actuators, LLE-PMA）、Ekso 公司設計的可穿戴外骨骼機器人（Ekso, Ekso bionics holdings Inc., 美國）[7-8]、Wang 等[9]設計的輔助步行外骨骼機器人（MindWalker exoskeleton, MindWalker）、Chen 等[10-11]設計的香港中文大學外骨骼機器人（Chinese university of Hong Kong exoskeleton, CUHK-EXO）和哈爾濱工業大學謝崢等[12]設計的行走輔助外骨骼機器人等，均可為穿戴者提供輔助以補償人體運動機能的不足。
康復型外骨骼機器人側重于恢復運動功能和改善脊髓損傷、腦卒中、足下垂患者的步態模式，它有助于提供恢復正常步態所需的治療。典型的如：Meuleman 等[13]設計的下肢動力外骨骼機器人（lower extremity powered exoskeleton Ⅱ, LOPES Ⅱ）、Bayon 等[14]設計的腦癱患者步行康復機器人（cerebral palsy walker, CPWalker）、Feng 等[15]設計的下肢康復機器人（lower limb rehabilitation robot, LLR-Ro）、Torrealba 等[16]設計的含雙向對抗式浮動彈簧驅動器（bidirectional antagonistic floating spring actuator, BAFSA）的步態康復外骨骼機器人、Zhang 等[17]設計的柔性踝關節康復機器人（compliant ankle rehabilitation robot, CARR）和朱文超等[18]設計的下肢壓差式氣動減重康復訓練系統等，均可以通過獨立地控制用戶的關節軌跡或扭矩來實現康復治療。
2 驅動柔順
現有典型的下肢外骨骼機器人，如 Bortole 等[19]設計的步態康復外骨骼機器人（H2, Technaid S.L., 西班牙）、Wu 等[20]設計的下肢康復機器人（lower limb rehabilitation robot, LLRR）、CUHK-EXO [10-11]和 Long 等[21]設計的下肢輔助型外骨骼機器人等，均采用傳統的電機驅動器，雖然容易控制，但會產生無法適應患者反應或阻力的剛性運動。可調節剛度的柔順驅動器能夠確保人機交互安全性和舒適性，而成為當前研究的熱點之一。
根據柔順驅動方式的不同，下肢外骨骼機器人的驅動可分為彈性驅動、液壓驅動和氣壓驅動。依據應用領域的不同，又可分為增強型、輔助型及康復型下肢外骨骼機器人。
2.1 彈性驅動
彈性驅動機構具有仿生特性，它在傳統的驅動機構和負載之間引入彈性元件，有輸出阻抗低、抗沖擊能力強、控制精度高、穩定性高及儲能強等特點。目前國內外對柔順下肢機器人的彈性驅動進行了大量的研究，其中比較典型的有 Roboknee[4]、Karavas 等[22]設計的含變剛度柔性驅動器（compliant actuators reconfigurable stiffness, CompAct-RS）的膝關節輔助外骨骼機器人、Hyun 等[23]設計的人類通用移動性輔助（human universal mobility assistance, HUMA）電動下肢外骨骼機器人、Kardan 等[24]設計的馬什哈德菲爾多西大學膝關節外骨骼機器人（Ferdowsi university of Mashhad knee exoskeleton, FUM-KneeExo）以及 BAFSA[16]等。
2.1.1 彈性—增強型
彈性增強型下肢外骨骼機器人由串聯彈性驅動器驅動，可幫助患者增強人體運動特性。
Pratt 等[4]提出的 Roboknee 是一種單自由度的膝關節外骨骼機器人，它使用線性串聯彈性驅動器實現低阻抗，以達到步態運動的柔順性，同時通過膝關節角度和地面反作用力確定用戶意圖，用于提高步行時的力量和耐力。但其體積較大且電池壽命較短，不利于用戶的使用、便攜。
意大利技術學院的 Karavas 等[22]設計的膝關節外骨骼機器人由柔性驅動器 CompAct-RS 驅動，該驅動器包含彈性模塊和電機模塊，通過對彈性模塊中的兩個壓縮彈簧進行預壓縮，以提高穿戴者運動時膝關節的抗沖擊能力。
2.1.2 彈性—輔助型
彈性輔助型下肢外骨骼機器人利用彈性驅動器結構為行動障礙的老年人或有步態障礙的患者補償其弱化的機體功能。
南京工程學院的韓亞麗等[25]開發的膝關節外骨骼機械腿，提出了一種由電機串聯彈簧，并組合剎車模塊的多模式彈性驅動器，利用彈性元件達到減振、儲能和釋能目的，實現了膝關節外骨骼機械腿的剛性驅動與柔性驅動相結合，但在彈性驅動器的輕量化、膝關節外骨骼對穿戴者運動的快速跟隨性及有效助力等方面，仍需進一步改進。
韓國現代汽車公司研發的 HUMA 下肢外骨骼機器人[23]，具有 12 個自由度，其中包括髖關節和膝關節的 2 個自由度，以及踝關節安裝被動彈簧的 2 個自由度。該機器人能夠支持自身體重及額外的有效載荷，為穿戴者提供負重輔助以增強人體力量、耐力。
馬什哈德菲爾多西大學的 Kardan 等[24]提出的 FUM-KneeExo 機器人，它由串聯彈性驅動器（linear series elastic actuator, FUM-LSEA）驅動，通過連接機器人的大腿和小腿以產生膝關節的輔助扭矩，在滾珠絲杠機構的螺旋軸上放置兩個彈簧以提供驅動器所需的柔順性。
2.1.3 彈性—康復型
基于彈性驅動器的康復型下肢外骨骼機器人，能夠為下肢運動能力損傷的患者提供有效的康復訓練，重新獲得腿部力量和運動能力。
新加坡國立大學的 Yu 等[26]在研究膝關節踝足機器人時，開發了一種新型緊湊串聯彈性驅動器，它將一個低剛度彈簧和一個高剛度扭簧串聯組合，其中彈簧和扭簧在力較小與較大時分別壓縮和扭轉，可實現有效的反向驅動力、較大的輸出力范圍以及較小的輸出阻抗，為患者提供有效的輔助力。
馬德里理工大學的 Cestari 等[27]提出了含有可調節剛度模塊和嵌入式傳感器的驅動器（actuator with adjustable-rigidity and embedded sensor, ARES），它體積小、重量輕且能減少運動干擾以促進關節的控制。該驅動器在利用彈性元件提供關節所需扭矩的同時，采用不同控制策略實現剛度調節以達到步態運動中的柔順性。
西蒙玻利瓦爾大學的 Torrealba 等[16]設計的 BAFSA，用于便攜式人體步態康復外骨骼膝關節的驅動，該驅動器由一個軸向的浮動彈簧組成，以對抗性的方式雙向驅動，基于步態訓練療法的方式，可恢復受損膝關節的正常功能。
2.2 液壓驅動
除彈性驅動器外，液壓動力系統也被大量應用于下肢外骨骼機器人中以提高其柔順特性。液壓驅動雖然精度相對較低且非線性特性較高，但具有良好的功率重量比，即在重量較輕且尺寸較小的情況下能夠提供較大的驅動力，因此采用液壓驅動器可以降低機器人腿部的阻抗，并提高其驅動力，為穿戴者提供相對穩定的步態運動。
2.2.1 液壓—增強型
液壓增強型下肢外骨骼機器人通過液壓驅動將油壓泵產生的壓力轉變為機械能以提供動力，可增強軍事用途中穿戴者的耐力和力量。
Kim 等[2]開發的 HLEER，采用液壓驅動器實現了機器人腿的高驅動力和低阻抗，可用于增強士兵的長時間行走能力。該設備由主動模式和被動模式的雙模式控制，實現了擺動運動中的快速移動，并能提高站立階段的負載，未來將加入算法實現樓梯和斜坡行走等功能。
山東理工大學的趙彥峻等[28]設計了一款適用于單兵穿戴的下肢外骨骼機器人，該機器人具有 12 個自由度，通過液壓驅動系統實現其運動過程中的柔順性，可提高士兵的承載能力，降低了運動過程中的能量損耗。
浙江大學的 Ouyang 等[5]研究了一種用于下肢外骨骼機器人的新型緊湊型液壓驅動裝置 CHPU，其使用的彈簧儲罐有助于高速泵正常工作并能減小現有儲罐尺寸。該機器人具有 4 個液壓驅動器用于驅動髖關節和膝關節的運動，可提高穿戴者的力量和耐力。
浙江大學的 Chen 等[29]研究的 3 個自由度下肢外骨骼機器人，是通過液壓驅動器驅動髖關節和膝關節的運動。與其他現有方法相比，該機器人考慮到液壓缸的特性，采用運動跟蹤控制器代替低級別驅動控制器中的力跟蹤，能夠提高液壓驅動器輸出力跟蹤的準確性，以增強穿戴者的人體運動能力。
2.2.2 液壓—輔助型
由液壓驅動器組成的輔助型下肢外骨骼機器人，通過液壓系統中的油泵提供驅動力，為人體功能缺陷或不足的患者提供有效的運動輔助，并降低發生繼發性損傷的風險。
加州大學的 Strausser 等[30]研發了一種醫用外骨骼機器人（medical exoskeleton, MD-exos）。該機器人采用移動式電池供電，其髖關節和膝關節通過液壓驅動可帶動患者的關節在矢狀面上移動。該裝置初步患者測試顯示，能夠改善不完全截癱患者的步態和完全截癱患者的行走能力。但由于向后移動而使大腿下降到一定角度以下時，需增加控制策略以防止該機器人腳趾撞到地面而導致絆倒。
西南交通大學的何鍵等[31]研究的助力外骨骼機器人，采用閥控液壓系統，能夠在負載 60 kg 的情況下完成下肢運動動作，并且具有較好的人機交互性。該裝置的局限在于，在助力外骨骼系統中，電池作為動力源，必須降低系統能耗，但該助力外骨骼機器人的節流調速系統能耗過高。
浙江大學的靳興來等[32]設計的下肢助力外骨骼膝關節，將線性驅動器液壓缸的兩端分別安裝在大腿和小腿部分。常見的下肢助力外骨骼系統在設計時通常只考慮髖關節及膝關節的主動自由度，而該外骨骼只有髖關節和膝關節在矢狀面內的自由度由液壓缸驅動，其自由度為被動自由度，可有效降低整個系統的質量和能耗，提高其助力性能。
2.2.3 液壓—康復型
液壓康復型下肢外骨骼機器人，采用液壓驅動器，具有良好的柔順特性，有利于提高患者的康復治療效果。
北京航空航天大學的唐志勇等[33]設計了一款由液壓驅動的外骨骼康復機器人。該機器人采用懸吊減重裝置，每個下肢具有 2 個自由度，患者可根據不同身高、體重進行大腿長度調節。通過預編程控制髖關節和膝關節在矢狀面的運動，可有利于幫助患者實現運動康復。
東北大學的 Lu 等[34]設計了一款基于液壓驅動的下肢外骨骼機器人，單腿共有三個液壓缸驅動髖關節、膝關節和踝關節運動，采用微油泵控制液缸以實現高精度的運動，有助于實現人體下肢加速、減速和擺動運動，該機器人同時具有重量輕、精度高等優點。
2.3 氣壓驅動
與液壓驅動器相比，氣動驅動器通過將氣源產生的空氣進行壓縮來提供動力，在結構設計方面具有優越性且易于操作，可以提供內在柔順性，在下肢外骨骼機器人領域具有巨大的潛力，有助于為穿戴者提供高效率、低成本、低能耗的運動訓練。
2.3.1 氣壓—增強型
氣壓增強型下肢外骨骼機器人是一種并聯于使用者身體外側的助力設備，通過增強穿戴者的肢體力量或直接承擔外負荷，提高其運動能力，從而有效地降低人體能量消耗。
神奈川工科大學的 Yamamoto 等[35]提出了增強型輔助護士服（power assisting suit nurse, PAS-NURSE），該機器人在手臂、腰部和腿部具有氣動旋轉驅動器，其中膝關節處的閥門控制輸出空氣流量，以產生扭矩實現膝關節伸展，該供氣系統彌補了腿部單元的供氣不足，可為穿戴者提供長時間的運動能力。
浙江大學的李超[36]設計的外骨骼助力系統將之前研究的上肢外骨骼系統擴展到全身外骨骼系統，其共有 28 個自由度，采用氣動肌肉對關節運動進行直接驅動，去除套管并減短鋼絲繩的長度，該系統能夠增強穿戴者的負重能力以及在復雜地形上的行走能力。但該系統腰部間距不可調整，因此需要考慮采用分體式可調整的結構，改善穿戴的舒適性。
2.3.2 氣壓—輔助型
基于氣壓驅動器驅動的輔助型下肢外骨骼機器人，通過給穿戴者提供額外的輔助力矩，以彌補其喪失的部分運動能力，實現輔助行走功能。
奧克蘭大學的 Hussain 等[6]發明的帶有氣動肌肉驅動器的 LLE-PMA 是一種用于神經功能障礙患者的下肢外骨骼機器人，其髖關節和膝關節由矢狀面上的氣動肌肉驅動器驅動，能夠為跑步機上的訓練提供足夠的扭矩，但該機器人無法獲取患者的運動輸出和由于伸展引起的肌肉的反射響應等參數。
關西學院大學的 Hashimoto 等[37]開發了一款結構緊湊、重量輕、成本低的步態輔助裝置，該裝置通過氣動人工肌肉協助穿戴者自身的大腿肌肉運動，可改善髖關節和膝關節的穩定性，為患者增強受傷或虛弱的關節和肌肉力量，但該裝置在步行周期期間無法測量肌肉的肌肉電位。
2.3.3 氣壓—康復型
氣壓驅動器驅動的下肢外骨骼機器人，基于其氣體的可壓縮性特點，相比于其他驅動形式，具有更高的安全性和舒適性。
南京理工大學的滕燕等[38]研發的多模式柔順膝關節康復器，提出了無桿氣缸和氣動柔性驅動器的復合驅動技術，可滿足膝關節多種訓練模式的要求，解決了單純使用麥吉本（Mckibben）型氣動肌肉的康復器訓練行程小的問題。
韓國科學技術院的 Hong 等[39]設計的支撐體重下肢行走輔助設備（SoftGait），由座椅及后備箱、兩個雙作用氣缸和鞋三部分組成。該機器人具有蹲坐、站立和行走三種模式，通過使用氣動驅動器、定制的力傳感器和開發的相位檢測器，及其強大的體重支撐和近零阻抗運動，可為穿戴者提供訓練的柔順性及舒適性。
東南大學的 Wan 等[40]研究的由氣動人工肌肉驅動的人形下肢外骨骼機器人（humanoid lower limb exoskeleton, HLLE），它具有 6 個自由度，其中髖關節 3 個自由度，膝關節 1 個自由度以及踝關節 2 個自由度。該機器人通過基于脈寬調制的模糊自整定比例?積分?微分控制（fuzzy self-tuning proportion integral derivative, FSPID）控制其運動，可跟蹤患者運動軌跡，以實現智能康復運動。
芝浦工業大學的 Quy_Thinh 等[41]研究的 2 個自由度下肢步態矯形器（airgait robotic orthosis, AIRGAIT），采用一對氣動人工肌肉以對抗形式驅動髖關節和膝關節運動，通過前饋反饋控制策略，克服了氣動人工肌肉較高的非線性特性，以達到安全有效的康復訓練。但是，該矯形器需考慮髖關節和膝關節驅動器之間的相互作用，以進一步改善跟蹤性能。
表1
下肢外骨骼機器人柔順驅動分類
Table1.
Compliant drive of lower extremity exoskeleton robot classification
3 關節柔順
柔性驅動器從動力源上實現了低輸出阻抗、高控制精度以及良好的環境適應性等特點，關節柔順則從結構設計上減少零件數目，簡化制造過程以降低成本及提高性能。傳統的剛性外骨骼關節在運動過程中容易對人體造成損傷，而該類下肢外骨骼機器人通過柔性連接，可減小人體關節和機械關節之間的運動學差異。
印度理工學院的 Sarkar 等[42]提出了一種 8 個自由度的雙足外骨骼機器人，該機器人使用偽剛體模型建模，將具有彎曲撓度的柔性連接應用于膝關節和踝關節，其采用銷接頭和接頭處的扭簧連接兩個剛性部分，提高了步態的連續性及穩定性。
華中科技大學的 Wang 等[43]設計的被動式步態配重下肢外骨骼機器人，它包括一個柔順性膝關節，其外環和內環分別連接上連桿和下連桿，在運動過程中通過內外環之間接觸變形以適應由于人體和機器人運動學差異引起的旋轉中心偏差，緩解了膝關節壓縮負荷，可為人體行走提供緩沖。同時，該機器人因為不需要外部驅動器及電池，具有更加輕便的特性。
4 總結與展望
傳統的下肢外骨骼機器人為了保證高速和高精度的性能，結構設計多為剛性機構且驅動方式采用電機驅動，在傳力過程中存在緩沖較差的缺點，無法適應人機共存環境的不可預測性，并且會消耗大量能量，不適合穩定、安全的人機交互。現階段已有不同類型的柔性下肢外骨骼機器人相繼研究與開發，通過采用彈性驅動器、液壓驅動器和氣壓驅動器來實現驅動上的柔順。理想的柔性驅動系統具有力跟隨性能好、輸出阻抗低、能夠減小外界沖擊及電機能耗和提高驅動力等特征。除了實現驅動的柔順，還可以在關節處增加彈性元件實現關節柔順。柔順關節利用自身的彈性變形完成構件間的能量傳遞，由于其剛度較小，可有效地實現機構的非線性大變形，達到結構柔順的目的，以減少機器人對人體的剛性沖擊。
因此，未來的下肢外骨骼機器人或將有以下發展趨勢：
第一，由于傳統剛度的驅動器設計無法滿足下肢外骨骼機器人的需求，因此可通過改進機器人中的驅動系統，采用新型柔性驅動器代替傳統剛度驅動器。
第二，進一步改良下肢外骨骼機器人的關節柔順設計。通過對下肢外骨骼機器人關節進行結構優化，采用柔順機構，可減少零件數目、簡化制造過程及降低磨損。同時減小變剛度機構的體積，以適應下肢外骨骼機器人關節集成化、小型化、柔順化和模塊化的特點。
第三，模仿人體肌肉肌腱的驅動方式，可在下肢外骨骼機器人中加入繩索驅動仿生關節，用柔索代替剛體連桿，使機器人具有結構簡單、慣性小、高柔順性和響應速度快等優點。采用繩索驅動能夠有效提高機器人關節運動過程中的仿生特性。
第四，氣動人工肌肉因其結構簡單、重量輕、高柔性，被應用于下肢外骨骼機器人中。但因結構特點導致其運動過程中產生遲滯和蠕變等非線性現象，精確控制具有極大的困難。未來采用新型材料代替傳統橡膠管，同時將閥和傳感器嵌入氣動人工肌肉中，可克服傳統氣動人工肌肉收縮率低、力量小及壽命短等缺陷并提高其控制性能。
第五，開發含有阻尼元件的柔順驅動系統。由于人體骨骼肌肉在提供動力的同時具有一定的粘性阻尼性，為更好模仿人體運動，未來的柔順驅動系統中還應引入阻尼元件，并能夠分別控制剛度與阻尼變化。
目前，具有柔順特性的下肢外骨骼機器人已在抗沖擊能力、控制精度及穩定性等多方面均體現出明顯的優勢，其在貼合性、安全性以及舒適性方面得到了較大的改善，未來可加入柔順性的控制策略，在實現高性能的同時，將對用戶的意外傷害風險限制在一個最小的給定閾值內。國內外針對下肢外骨骼柔順特性已展開大量研究，然而大部分研究成果都是圍繞著驅動柔順開展的，對于關節柔順的研究相對較少，柔順機構在下肢外骨骼機器人中的應用還需要進一步深入的研究。另外除驅動、結構外，還可通過引入新型柔性材料以達到柔順的目的。綜上所述，下肢外骨骼機器人柔順特性的研究，對其人機交互安全性、對位置復雜環境的適應性以及提高能源利用率等方面具有重要意義。
引言
下肢外骨骼機器人是一種可穿戴的仿生裝置，將人類智能與機械設備相結合，通過在人體關節處配備高性能的驅動器以及內置的多傳感器系統，可獲得穿戴者的運動軌跡并控制機器人提供相應的驅動以進行輔助運動[1]。目前國內外對下肢外骨骼機器人的研究取得了一定的進展，主要集中在增強人體身體素質和恢復腿部關節力量兩方面，可提高士兵單兵作戰能力以及幫助因腿部功能受損而導致步行不便的人重新站立或行走。
傳統的下肢外骨骼機器人多采用剛性機構，以實現精確和快速的位置控制，具有良好的軌跡重復性，但剛性機構不能處理外部沖擊，無法適應不可預測的環境，并且會消耗大量能量，不利于良好的人機交互。驅動柔順是指通過采用彈性驅動器、液壓驅動器和氣壓驅動器來實現驅動上的柔順，而關節柔順則是采用在關節處增加彈性元件，利用自身的彈性變形完成構件間的能量傳遞，達到關節柔順的目的。柔性機構具有能夠最大限度地減少沖擊引起的反作用力，并在被動式彈性元件中儲存和釋放能量的優點，因此國內外學者對柔順特性在下肢外骨骼機器人中的應用進行了研究，本文將從驅動柔順和關節柔順兩個方面對下肢外骨骼機器人柔順特性的研究現狀進行綜述，并結合國內外需求展望其未來發展方向。
1 下肢外骨骼機器人
下肢外骨骼機器人是一種通過髖關節、膝關節或踝關節給予下肢支撐的可穿戴設備，旨在運動過程中提高使用者的運動能力。根據其應用領域的不同，可分為增強型、輔助型和康復型下肢外骨骼機器人。
增強型外骨骼機器人旨在增強人體運動的特性，如力量、耐力及速度。典型的如：Kim 等[2]設計的液壓式下肢外骨骼機器人（hydraulic lower extremity exoskeleton robot, HLEER）和西北工業大學王海蓮等[3]設計的下肢外骨骼機器人等，就是為了提高軍事運動時士兵的負重能力而設計制造的；而 Pratt 等[4]設計的膝關節機器人（robot knee, Roboknee）和 Ouyang 等[5]設計的含新型緊湊型液壓驅動單元（compact hydraulic power unit, CHPU）的外骨骼機器人則用于提高步行時的力量、耐力及攀爬能力。
輔助型外骨骼機器人的目標是補償因傷害、創傷或虛弱造成的運動能力喪失，它為受損關節提供人工支撐的同時與其他部位共同輔助患者運動。典型的如：Hussain 等[6]設計的含氣動肌肉驅動器的下肢外骨骼（lower limb exoskeleton by pneumatic muscle actuators, LLE-PMA）、Ekso 公司設計的可穿戴外骨骼機器人（Ekso, Ekso bionics holdings Inc., 美國）[7-8]、Wang 等[9]設計的輔助步行外骨骼機器人（MindWalker exoskeleton, MindWalker）、Chen 等[10-11]設計的香港中文大學外骨骼機器人（Chinese university of Hong Kong exoskeleton, CUHK-EXO）和哈爾濱工業大學謝崢等[12]設計的行走輔助外骨骼機器人等，均可為穿戴者提供輔助以補償人體運動機能的不足。
康復型外骨骼機器人側重于恢復運動功能和改善脊髓損傷、腦卒中、足下垂患者的步態模式，它有助于提供恢復正常步態所需的治療。典型的如：Meuleman 等[13]設計的下肢動力外骨骼機器人（lower extremity powered exoskeleton Ⅱ, LOPES Ⅱ）、Bayon 等[14]設計的腦癱患者步行康復機器人（cerebral palsy walker, CPWalker）、Feng 等[15]設計的下肢康復機器人（lower limb rehabilitation robot, LLR-Ro）、Torrealba 等[16]設計的含雙向對抗式浮動彈簧驅動器（bidirectional antagonistic floating spring actuator, BAFSA）的步態康復外骨骼機器人、Zhang 等[17]設計的柔性踝關節康復機器人（compliant ankle rehabilitation robot, CARR）和朱文超等[18]設計的下肢壓差式氣動減重康復訓練系統等，均可以通過獨立地控制用戶的關節軌跡或扭矩來實現康復治療。
2 驅動柔順
現有典型的下肢外骨骼機器人，如 Bortole 等[19]設計的步態康復外骨骼機器人（H2, Technaid S.L., 西班牙）、Wu 等[20]設計的下肢康復機器人（lower limb rehabilitation robot, LLRR）、CUHK-EXO [10-11]和 Long 等[21]設計的下肢輔助型外骨骼機器人等，均采用傳統的電機驅動器，雖然容易控制，但會產生無法適應患者反應或阻力的剛性運動。可調節剛度的柔順驅動器能夠確保人機交互安全性和舒適性，而成為當前研究的熱點之一。
根據柔順驅動方式的不同，下肢外骨骼機器人的驅動可分為彈性驅動、液壓驅動和氣壓驅動。依據應用領域的不同，又可分為增強型、輔助型及康復型下肢外骨骼機器人。
2.1 彈性驅動
彈性驅動機構具有仿生特性，它在傳統的驅動機構和負載之間引入彈性元件，有輸出阻抗低、抗沖擊能力強、控制精度高、穩定性高及儲能強等特點。目前國內外對柔順下肢機器人的彈性驅動進行了大量的研究，其中比較典型的有 Roboknee[4]、Karavas 等[22]設計的含變剛度柔性驅動器（compliant actuators reconfigurable stiffness, CompAct-RS）的膝關節輔助外骨骼機器人、Hyun 等[23]設計的人類通用移動性輔助（human universal mobility assistance, HUMA）電動下肢外骨骼機器人、Kardan 等[24]設計的馬什哈德菲爾多西大學膝關節外骨骼機器人（Ferdowsi university of Mashhad knee exoskeleton, FUM-KneeExo）以及 BAFSA[16]等。
2.1.1 彈性—增強型
彈性增強型下肢外骨骼機器人由串聯彈性驅動器驅動，可幫助患者增強人體運動特性。
Pratt 等[4]提出的 Roboknee 是一種單自由度的膝關節外骨骼機器人，它使用線性串聯彈性驅動器實現低阻抗，以達到步態運動的柔順性，同時通過膝關節角度和地面反作用力確定用戶意圖，用于提高步行時的力量和耐力。但其體積較大且電池壽命較短，不利于用戶的使用、便攜。
意大利技術學院的 Karavas 等[22]設計的膝關節外骨骼機器人由柔性驅動器 CompAct-RS 驅動，該驅動器包含彈性模塊和電機模塊，通過對彈性模塊中的兩個壓縮彈簧進行預壓縮，以提高穿戴者運動時膝關節的抗沖擊能力。
2.1.2 彈性—輔助型
彈性輔助型下肢外骨骼機器人利用彈性驅動器結構為行動障礙的老年人或有步態障礙的患者補償其弱化的機體功能。
南京工程學院的韓亞麗等[25]開發的膝關節外骨骼機械腿，提出了一種由電機串聯彈簧，并組合剎車模塊的多模式彈性驅動器，利用彈性元件達到減振、儲能和釋能目的，實現了膝關節外骨骼機械腿的剛性驅動與柔性驅動相結合，但在彈性驅動器的輕量化、膝關節外骨骼對穿戴者運動的快速跟隨性及有效助力等方面，仍需進一步改進。
韓國現代汽車公司研發的 HUMA 下肢外骨骼機器人[23]，具有 12 個自由度，其中包括髖關節和膝關節的 2 個自由度，以及踝關節安裝被動彈簧的 2 個自由度。該機器人能夠支持自身體重及額外的有效載荷，為穿戴者提供負重輔助以增強人體力量、耐力。
馬什哈德菲爾多西大學的 Kardan 等[24]提出的 FUM-KneeExo 機器人，它由串聯彈性驅動器（linear series elastic actuator, FUM-LSEA）驅動，通過連接機器人的大腿和小腿以產生膝關節的輔助扭矩，在滾珠絲杠機構的螺旋軸上放置兩個彈簧以提供驅動器所需的柔順性。
2.1.3 彈性—康復型
基于彈性驅動器的康復型下肢外骨骼機器人，能夠為下肢運動能力損傷的患者提供有效的康復訓練，重新獲得腿部力量和運動能力。
新加坡國立大學的 Yu 等[26]在研究膝關節踝足機器人時，開發了一種新型緊湊串聯彈性驅動器，它將一個低剛度彈簧和一個高剛度扭簧串聯組合，其中彈簧和扭簧在力較小與較大時分別壓縮和扭轉，可實現有效的反向驅動力、較大的輸出力范圍以及較小的輸出阻抗，為患者提供有效的輔助力。
馬德里理工大學的 Cestari 等[27]提出了含有可調節剛度模塊和嵌入式傳感器的驅動器（actuator with adjustable-rigidity and embedded sensor, ARES），它體積小、重量輕且能減少運動干擾以促進關節的控制。該驅動器在利用彈性元件提供關節所需扭矩的同時，采用不同控制策略實現剛度調節以達到步態運動中的柔順性。
西蒙玻利瓦爾大學的 Torrealba 等[16]設計的 BAFSA，用于便攜式人體步態康復外骨骼膝關節的驅動，該驅動器由一個軸向的浮動彈簧組成，以對抗性的方式雙向驅動，基于步態訓練療法的方式，可恢復受損膝關節的正常功能。
2.2 液壓驅動
除彈性驅動器外，液壓動力系統也被大量應用于下肢外骨骼機器人中以提高其柔順特性。液壓驅動雖然精度相對較低且非線性特性較高，但具有良好的功率重量比，即在重量較輕且尺寸較小的情況下能夠提供較大的驅動力，因此采用液壓驅動器可以降低機器人腿部的阻抗，并提高其驅動力，為穿戴者提供相對穩定的步態運動。
2.2.1 液壓—增強型
液壓增強型下肢外骨骼機器人通過液壓驅動將油壓泵產生的壓力轉變為機械能以提供動力，可增強軍事用途中穿戴者的耐力和力量。
Kim 等[2]開發的 HLEER，采用液壓驅動器實現了機器人腿的高驅動力和低阻抗，可用于增強士兵的長時間行走能力。該設備由主動模式和被動模式的雙模式控制，實現了擺動運動中的快速移動，并能提高站立階段的負載，未來將加入算法實現樓梯和斜坡行走等功能。
山東理工大學的趙彥峻等[28]設計了一款適用于單兵穿戴的下肢外骨骼機器人，該機器人具有 12 個自由度，通過液壓驅動系統實現其運動過程中的柔順性，可提高士兵的承載能力，降低了運動過程中的能量損耗。
浙江大學的 Ouyang 等[5]研究了一種用于下肢外骨骼機器人的新型緊湊型液壓驅動裝置 CHPU，其使用的彈簧儲罐有助于高速泵正常工作并能減小現有儲罐尺寸。該機器人具有 4 個液壓驅動器用于驅動髖關節和膝關節的運動，可提高穿戴者的力量和耐力。
浙江大學的 Chen 等[29]研究的 3 個自由度下肢外骨骼機器人，是通過液壓驅動器驅動髖關節和膝關節的運動。與其他現有方法相比，該機器人考慮到液壓缸的特性，采用運動跟蹤控制器代替低級別驅動控制器中的力跟蹤，能夠提高液壓驅動器輸出力跟蹤的準確性，以增強穿戴者的人體運動能力。
2.2.2 液壓—輔助型
由液壓驅動器組成的輔助型下肢外骨骼機器人，通過液壓系統中的油泵提供驅動力，為人體功能缺陷或不足的患者提供有效的運動輔助，并降低發生繼發性損傷的風險。
加州大學的 Strausser 等[30]研發了一種醫用外骨骼機器人（medical exoskeleton, MD-exos）。該機器人采用移動式電池供電，其髖關節和膝關節通過液壓驅動可帶動患者的關節在矢狀面上移動。該裝置初步患者測試顯示，能夠改善不完全截癱患者的步態和完全截癱患者的行走能力。但由于向后移動而使大腿下降到一定角度以下時，需增加控制策略以防止該機器人腳趾撞到地面而導致絆倒。
西南交通大學的何鍵等[31]研究的助力外骨骼機器人，采用閥控液壓系統，能夠在負載 60 kg 的情況下完成下肢運動動作，并且具有較好的人機交互性。該裝置的局限在于，在助力外骨骼系統中，電池作為動力源，必須降低系統能耗，但該助力外骨骼機器人的節流調速系統能耗過高。
浙江大學的靳興來等[32]設計的下肢助力外骨骼膝關節，將線性驅動器液壓缸的兩端分別安裝在大腿和小腿部分。常見的下肢助力外骨骼系統在設計時通常只考慮髖關節及膝關節的主動自由度，而該外骨骼只有髖關節和膝關節在矢狀面內的自由度由液壓缸驅動，其自由度為被動自由度，可有效降低整個系統的質量和能耗，提高其助力性能。
2.2.3 液壓—康復型
液壓康復型下肢外骨骼機器人，采用液壓驅動器，具有良好的柔順特性，有利于提高患者的康復治療效果。
北京航空航天大學的唐志勇等[33]設計了一款由液壓驅動的外骨骼康復機器人。該機器人采用懸吊減重裝置，每個下肢具有 2 個自由度，患者可根據不同身高、體重進行大腿長度調節。通過預編程控制髖關節和膝關節在矢狀面的運動，可有利于幫助患者實現運動康復。
東北大學的 Lu 等[34]設計了一款基于液壓驅動的下肢外骨骼機器人，單腿共有三個液壓缸驅動髖關節、膝關節和踝關節運動，采用微油泵控制液缸以實現高精度的運動，有助于實現人體下肢加速、減速和擺動運動，該機器人同時具有重量輕、精度高等優點。
2.3 氣壓驅動
與液壓驅動器相比，氣動驅動器通過將氣源產生的空氣進行壓縮來提供動力，在結構設計方面具有優越性且易于操作，可以提供內在柔順性，在下肢外骨骼機器人領域具有巨大的潛力，有助于為穿戴者提供高效率、低成本、低能耗的運動訓練。
2.3.1 氣壓—增強型
氣壓增強型下肢外骨骼機器人是一種并聯于使用者身體外側的助力設備，通過增強穿戴者的肢體力量或直接承擔外負荷，提高其運動能力，從而有效地降低人體能量消耗。
神奈川工科大學的 Yamamoto 等[35]提出了增強型輔助護士服（power assisting suit nurse, PAS-NURSE），該機器人在手臂、腰部和腿部具有氣動旋轉驅動器，其中膝關節處的閥門控制輸出空氣流量，以產生扭矩實現膝關節伸展，該供氣系統彌補了腿部單元的供氣不足，可為穿戴者提供長時間的運動能力。
浙江大學的李超[36]設計的外骨骼助力系統將之前研究的上肢外骨骼系統擴展到全身外骨骼系統，其共有 28 個自由度，采用氣動肌肉對關節運動進行直接驅動，去除套管并減短鋼絲繩的長度，該系統能夠增強穿戴者的負重能力以及在復雜地形上的行走能力。但該系統腰部間距不可調整，因此需要考慮采用分體式可調整的結構，改善穿戴的舒適性。
2.3.2 氣壓—輔助型
基于氣壓驅動器驅動的輔助型下肢外骨骼機器人，通過給穿戴者提供額外的輔助力矩，以彌補其喪失的部分運動能力，實現輔助行走功能。
奧克蘭大學的 Hussain 等[6]發明的帶有氣動肌肉驅動器的 LLE-PMA 是一種用于神經功能障礙患者的下肢外骨骼機器人，其髖關節和膝關節由矢狀面上的氣動肌肉驅動器驅動，能夠為跑步機上的訓練提供足夠的扭矩，但該機器人無法獲取患者的運動輸出和由于伸展引起的肌肉的反射響應等參數。
關西學院大學的 Hashimoto 等[37]開發了一款結構緊湊、重量輕、成本低的步態輔助裝置，該裝置通過氣動人工肌肉協助穿戴者自身的大腿肌肉運動，可改善髖關節和膝關節的穩定性，為患者增強受傷或虛弱的關節和肌肉力量，但該裝置在步行周期期間無法測量肌肉的肌肉電位。
2.3.3 氣壓—康復型
氣壓驅動器驅動的下肢外骨骼機器人，基于其氣體的可壓縮性特點，相比于其他驅動形式，具有更高的安全性和舒適性。
南京理工大學的滕燕等[38]研發的多模式柔順膝關節康復器，提出了無桿氣缸和氣動柔性驅動器的復合驅動技術，可滿足膝關節多種訓練模式的要求，解決了單純使用麥吉本（Mckibben）型氣動肌肉的康復器訓練行程小的問題。
韓國科學技術院的 Hong 等[39]設計的支撐體重下肢行走輔助設備（SoftGait），由座椅及后備箱、兩個雙作用氣缸和鞋三部分組成。該機器人具有蹲坐、站立和行走三種模式，通過使用氣動驅動器、定制的力傳感器和開發的相位檢測器，及其強大的體重支撐和近零阻抗運動，可為穿戴者提供訓練的柔順性及舒適性。
東南大學的 Wan 等[40]研究的由氣動人工肌肉驅動的人形下肢外骨骼機器人（humanoid lower limb exoskeleton, HLLE），它具有 6 個自由度，其中髖關節 3 個自由度，膝關節 1 個自由度以及踝關節 2 個自由度。該機器人通過基于脈寬調制的模糊自整定比例?積分?微分控制（fuzzy self-tuning proportion integral derivative, FSPID）控制其運動，可跟蹤患者運動軌跡，以實現智能康復運動。
芝浦工業大學的 Quy_Thinh 等[41]研究的 2 個自由度下肢步態矯形器（airgait robotic orthosis, AIRGAIT），采用一對氣動人工肌肉以對抗形式驅動髖關節和膝關節運動，通過前饋反饋控制策略，克服了氣動人工肌肉較高的非線性特性，以達到安全有效的康復訓練。但是，該矯形器需考慮髖關節和膝關節驅動器之間的相互作用，以進一步改善跟蹤性能。
表1
下肢外骨骼機器人柔順驅動分類
Table1.
Compliant drive of lower extremity exoskeleton robot classification
3 關節柔順
柔性驅動器從動力源上實現了低輸出阻抗、高控制精度以及良好的環境適應性等特點，關節柔順則從結構設計上減少零件數目，簡化制造過程以降低成本及提高性能。傳統的剛性外骨骼關節在運動過程中容易對人體造成損傷，而該類下肢外骨骼機器人通過柔性連接，可減小人體關節和機械關節之間的運動學差異。
印度理工學院的 Sarkar 等[42]提出了一種 8 個自由度的雙足外骨骼機器人，該機器人使用偽剛體模型建模，將具有彎曲撓度的柔性連接應用于膝關節和踝關節，其采用銷接頭和接頭處的扭簧連接兩個剛性部分，提高了步態的連續性及穩定性。
華中科技大學的 Wang 等[43]設計的被動式步態配重下肢外骨骼機器人，它包括一個柔順性膝關節，其外環和內環分別連接上連桿和下連桿，在運動過程中通過內外環之間接觸變形以適應由于人體和機器人運動學差異引起的旋轉中心偏差，緩解了膝關節壓縮負荷，可為人體行走提供緩沖。同時，該機器人因為不需要外部驅動器及電池，具有更加輕便的特性。
4 總結與展望
傳統的下肢外骨骼機器人為了保證高速和高精度的性能，結構設計多為剛性機構且驅動方式采用電機驅動，在傳力過程中存在緩沖較差的缺點，無法適應人機共存環境的不可預測性，并且會消耗大量能量，不適合穩定、安全的人機交互。現階段已有不同類型的柔性下肢外骨骼機器人相繼研究與開發，通過采用彈性驅動器、液壓驅動器和氣壓驅動器來實現驅動上的柔順。理想的柔性驅動系統具有力跟隨性能好、輸出阻抗低、能夠減小外界沖擊及電機能耗和提高驅動力等特征。除了實現驅動的柔順，還可以在關節處增加彈性元件實現關節柔順。柔順關節利用自身的彈性變形完成構件間的能量傳遞，由于其剛度較小，可有效地實現機構的非線性大變形，達到結構柔順的目的，以減少機器人對人體的剛性沖擊。
因此，未來的下肢外骨骼機器人或將有以下發展趨勢：
第一，由于傳統剛度的驅動器設計無法滿足下肢外骨骼機器人的需求，因此可通過改進機器人中的驅動系統，采用新型柔性驅動器代替傳統剛度驅動器。
第二，進一步改良下肢外骨骼機器人的關節柔順設計。通過對下肢外骨骼機器人關節進行結構優化，采用柔順機構，可減少零件數目、簡化制造過程及降低磨損。同時減小變剛度機構的體積，以適應下肢外骨骼機器人關節集成化、小型化、柔順化和模塊化的特點。
第三，模仿人體肌肉肌腱的驅動方式，可在下肢外骨骼機器人中加入繩索驅動仿生關節，用柔索代替剛體連桿，使機器人具有結構簡單、慣性小、高柔順性和響應速度快等優點。采用繩索驅動能夠有效提高機器人關節運動過程中的仿生特性。
第四，氣動人工肌肉因其結構簡單、重量輕、高柔性，被應用于下肢外骨骼機器人中。但因結構特點導致其運動過程中產生遲滯和蠕變等非線性現象，精確控制具有極大的困難。未來采用新型材料代替傳統橡膠管，同時將閥和傳感器嵌入氣動人工肌肉中，可克服傳統氣動人工肌肉收縮率低、力量小及壽命短等缺陷并提高其控制性能。
第五，開發含有阻尼元件的柔順驅動系統。由于人體骨骼肌肉在提供動力的同時具有一定的粘性阻尼性，為更好模仿人體運動，未來的柔順驅動系統中還應引入阻尼元件，并能夠分別控制剛度與阻尼變化。
目前，具有柔順特性的下肢外骨骼機器人已在抗沖擊能力、控制精度及穩定性等多方面均體現出明顯的優勢，其在貼合性、安全性以及舒適性方面得到了較大的改善，未來可加入柔順性的控制策略，在實現高性能的同時，將對用戶的意外傷害風險限制在一個最小的給定閾值內。國內外針對下肢外骨骼柔順特性已展開大量研究，然而大部分研究成果都是圍繞著驅動柔順開展的，對于關節柔順的研究相對較少，柔順機構在下肢外骨骼機器人中的應用還需要進一步深入的研究。另外除驅動、結構外，還可通過引入新型柔性材料以達到柔順的目的。綜上所述，下肢外骨骼機器人柔順特性的研究，對其人機交互安全性、對位置復雜環境的適應性以及提高能源利用率等方面具有重要意義。
