杨灿军：
教授，博士生导师，浙江大学机械电子控制工程研究所副所长，国家康复辅具产业技术创新战略联盟理事会理事。主要专业方向为人机智能机电系统、深海机电装备技术。
让瘫痪多年的人站起来行走，让瘦弱的普通人成为力大无比的勇士，外骨骼技术使人类可以触摸这些梦想
□杨灿军 张佳帆 陈鹰
在好莱坞大片里，钢铁侠的英雄业绩让人血脉贲张，但是离开那套神奇的金属战衣，男主角无法拯救世界。
那套战衣，正是科幻作家笔下外骨骼技术高度发达后的杰作。
外骨骼技术是人类迫切希望提升个体能力的产物，它来源于生物学中的外骨骼概念，例如软体动物的介壳，虾、蟹、昆虫等的甲壳等。其实，古代士兵的盔甲就是最早的外骨骼，它能有效提升个人的防御能力。而今天，结合了机械电子、控制、生物、传感、信息融合、材料等技术的外骨骼技术更是得到前所未有的快速发展。
把机器人穿在身上不是梦
目前，外骨骼机器人系统大致可以分为两类，一类是控制型，一类是增力型。控制型外骨骼主要将人的灵活控制能力传递给智能机器人，应用于人类不能直接到达且控制极为复杂的机器人控制领域，例如：对核反应堆的操作，对空间机器人的人机耦合控制，对深海机器人的控制等极端环境下的控制等，国内外都有相关研究。
增力型外骨骼机器人则主要应用在肌力增强、运动康复和国防军工等领域。
日本筑波大学开发的HAL系列下肢运动辅助外骨骼，是目前研究较为成熟的下肢柔性外骨骼系统，可以协助步态紊乱的病人行走和增强人体负重行走能力。它采用角度传感器、肌电信号传感器和地面接触力传感器等设备来获得外骨骼和操作者的状态信息，同时拥有混合控制系统，包括控制身体姿态的自动控制器以及舒适助力控制器等，保证了外骨骼关节运动与人体下肢肌肉运动的一致性，支持穿戴者的日常活动。
增力型外骨骼机器人技术给全世界的截瘫病人带来了希望。瑞士的联邦技术大学、Hocoma AG公司和德国神经康复训练中心分别开发了外骨骼系统Locomat和Hapticwalker。这些系统结合活动平板训练模式，改变传统卒中或者截瘫病人人工康复训练模式，减轻了理疗师的工作强度，保证了康复训练的质量，提高了训练效果。Locomat系统中还加入了人工智能，不仅帮助病人进行标准步态康复训练，还可以根据不同病人对标准步态抵触情况实时修正步态，实现人机之间的协调康复训练。
外骨骼也是军方关注的技术。美国加州大学伯克利分校、洛克希德·马丁公司联合推出了提高单兵作战能力和负重行军能力的外骨骼系统HULC，美国雷神公司推出了用于搬运战场重物和增强士兵肌力的第二代外骨骼机器人XOS 2。
它们的共同点是仿人肢体结构、动力强劲、能显著提高战士的负重能力和作战能力。XOS 2甚至被有的传媒称为“钢铁侠战衣”，穿上它，肌肉最不发达的人也可以不费吹灰之力地举起200磅的重物。
另据报道，美国一家公司以HULC外骨骼模型为基础，开发了eLegs外骨骼系统。该系统有一个粘扣带、一个背包式的夹子和肩部背带，任何人都可以在一两分钟内迅速穿上或脱下；通过一套拐杖“阅读”使用者的手臂姿势，模拟人类自然步态，令截瘫患者站起来。据介绍，eLegs外骨骼将于2011年应用于部分康复中心，可能在2013年上市销售。
在我国，针对外骨骼技术的研究虽然处于起步阶段，但起点高，发展比较迅速。其中，清华大学、浙江大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、天津大学、河北工业大学、中科院合肥智能机械研究所等相关科研机构，正在开展外骨骼技术相关研究工作。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室从上世纪90年代开始致力于人机一体化理论研究，并逐步衍生出人机智能柔性外骨骼技术研究，研制了气动下肢助力外骨骼，卒中和偏瘫病人上肢、下肢运动康复训练外骨骼系统等。
走向实用仍然障碍重重
不过，虽然经过几十年的发展，已经出现形形色色的外骨骼系统，人们还不能指望外骨骼目前就能在残疾病人中普及，或者马上就能用于战场。外骨骼技术走向实用仍然有很多障碍需要跨越。
首先，外骨骼需要具有良好的可穿戴性，因此外骨骼机器人的机械结构和自由度分布应与人体运动关节结构和自由度相匹配，同时还可非常方便地根据不同穿戴者的体形和身材进行调节。其制造材料也要轻便，但必须具有足够的强度和韧性，同时不会影响穿戴者的健康。
外骨骼机器人的驱动器应满足体积小、轻便、低功耗、大功率输出等要求，同时具有响应快、低惯性、高精度和高安全性等性能。为了实现柔性外骨骼设备的可移动性，需要体积小、重量轻、效率高、清洁环保的新型配套能源技术。
而且，要实现整个外骨骼系统的柔顺控制，需要快速的信息传感技术获取所需的控制信息，并对多信息进行高效快速融合，发出控制指令。需要尖端的人机耦合接口技术，实现操作者和外骨骼之间的数据和信息双向传递，在感知层和执行层分别实现人和机器的统一。需要研究基于“人机一体化”思想的控制策略，研究人的智慧在整个控制系统中的作用，充分考虑人在整个控制环中的影响，建立全新的人机智能系统控制理论。建立人与外骨骼之间任务的合理分配规则研究，根据人和外骨骼各自的优势，进行任务分配。
因此，外骨骼系统的实现与机器人技术、机电工程、微能源技术、微驱动技术、材料技术和控制技术等学科的发展密切相关。随着这些技术的发展，外骨骼机器人研究关键技术的突破，人们将会在太空空间站、深海载人潜水器遥控操作，单兵作战和武器输送，康复运动和辅助日常活动，娱乐和体育活动等多种场合见到外骨骼机器人的身影。（责任编辑：肖洁）
《科学时报》 (2011-01-12 A1 要闻)