外骨骼机器人关节的机械结构和控制技术研究进展

近年来外骨骼技术发展迅速，涉及到的技术多种，本文从机械结构和控制技术两个方面综述了当前外骨骼领域的研究现状，详细分析驱动、结构、自锁、信号源和控制环节的关键技术。

外骨骼结构设计结合人体结构应考虑决定下肢主运动状态的主要关节包括三个：髋关节、膝关节和踝关节；上肢包括两个：肩关节和肘关节。针对这几个关节的非刚体运动，在进行机械结构和控制方法设计时国内外有各有所研究。我国创新主体主要是高校，美国和日本的创新主体已通过产学研结合实现商业化运营，见图1。

Figure 1. Ranking of global major patent applicants in the field of exoskeleton robot in recent five years (as of May 2020) 图1. 近5 年来在外骨骼机器人领域全球主要专利申请人排名情况(截止2020 年5 月) 我国在机械结构技术方面申请的专利数量最多，有977 件，占我国申请总量的59％；在控制技术方面申请的专利有467 件，占比为28%，详见图2 中。由此可见机械结构和控制技术的仍是目前研究的重点。

根据外骨骼基本构成和组成部分如图3，未来人体增强外骨骼技术仍将呈现快速发展趋势，并逐步从实验室走向应用并进入市场。机械结构和控制技术是外骨骼机器人技术的研究重点，市场需求主要集中在下肢应用领域，外骨骼机器人的发展应加强多模式控制技术的研究，加强运动感知和驱动技术的研究[1]。

对于外骨骼机器人至关重要的两个研究部分——机械结构和控制技术，仍是我国的强项，对此方面的研究成果也是颇为丰富。本文就这两个关键部分进行了一定程度上的收集和整理，将机械结构划分为助力结构设计和支撑结构设计，简明地反映了外骨骼的功能。归纳和阐述了较为前沿的控制技术。