人工智能技术在外骨骼机器人中的应用，发展历程与原理介绍

大家好，我是微学AI，今天给大家介绍一下 人工智能技术在外骨骼机器人中的应用，发展历程与原理介绍 。外骨骼机器人是一种 套在人体外部的可穿戴机器人装置 ，旨在增强人类的身体能力和运动功能。其独特之处在于能够与人体紧密配合，通过先进的传感、控制和信息处理技术实现智能协同。这类机器人通常采用模块化设计，可根据不同应用场景选择性地覆盖全身或特定身体部位，如腿部、手臂等。

一、外骨骼机器人概述

定义与特点

外骨骼机器人的核心优势在于其 高度的人机交互特性 和 自适应能力 。它们能够实时感知佩戴者意图并做出响应，同时还能根据环境变化自动调整动作策略，从而显著提升人类在各种复杂环境下的工作效率和生存能力。这种独特的设计理念使得外骨骼机器人在医疗康复、工业生产和军事等领域展现出广阔的应用前景。

发展历程

外骨骼机器人的发展历程可追溯至20世纪初，经历了三个重要阶段：

1. 探索和实验阶段（1960-1980）

   • 标志性事件：美国通用电气公司与康奈尔大学联合开发Hardiman可穿戴动力外骨骼
   • 特点：以军用为主，但由于体积庞大、操作复杂等原因，难以投入实际应用

2. 平稳发展阶段（1980-2000）

   • 趋势：外骨骼机器人逐步走出实验室，企业界和科研机构共同推动技术发展和市场化
   • 成果：出现多个原型产品，如1978年的Jogging Machine和1987年的Lifesuit Exoskeleton

3. 技术突破性发展阶段（2000年至今）

   • 催化剂：计算机、传感、材料和控制技术的快速发展
   • 影响：外骨骼机器人进入技术突破和规模化应用阶段
   • 商业化进展：多家公司成功上市，如ReWalk Robotics（2001年成立）、Cyberdyne（2004年成立）和Ekso Bionics（2005年成立）

这一发展历程展示了外骨骼机器人从概念到现实的演变过程，反映了科技进步如何推动新兴技术走向实用化和商业化。

二、人工智能在外骨骼机器人中的应用

机器学习算法

在外骨骼机器人控制系统的设计中，机器学习算法扮演着至关重要的角色。近年来，研究人员不断探索新的算法和技术，以提高外骨骼机器人的性能和适应性。以下是几种在外骨骼机器人应用中常用的机器学习算法及其最新研究成果：

1. 深度强化学习 ：一种特别适用于外骨骼机器人控制的算法。2024年6月，苏浩团队在《自然》杂志上发表的一项突破性研究表明，通过在计算机仿真环境中运用强化学习，可以显著提高外骨骼机器人的智能性和通用性。他们提出的“仿真中学习”框架实现了外骨骼控制器的智能化，使其能够适应多种动作模式，包括步行、跑步和爬楼梯等。

2. 贝叶斯神经网络(BNN) ：在外骨骼控制中也有出色表现。一项研究提出了一种基于神经肌肉骨骼(NMS)解算器的BNN模型，用于预测用户膝关节弯曲/伸展扭矩。该模型不仅能准确预测扭矩，还能量化预测的不确定性，为外骨骼用户界面的安全性提供了保障。

3. 深度确定性策略梯度(DDPG)算法 ：在外骨骼机械臂轨迹运动控制方面取得了良好效果。研究人员通过改进DDPG算法，提出了基于优先经验回放与分区奖励(PERDA)融合的PERDA-DDPG算法，有效提高了外骨骼机械臂的轨迹运动效果。

这些研究成果展示了机器学习算法在外骨骼机器人控制中的重要作用，为未来外骨骼机器人的智能化和个性化发展奠定了坚实的技术基础。通过持续优化和创新，我们可以期待看到更智能、更适应性强的外骨骼机器人在未来各个领域的广泛应用。

神经网络控制

在外骨骼机器人的控制领域，神经网络技术正发挥着越来越重要的作用。近期的研究成果充分展示了神经网络在外骨骼机器人控制中的巨大潜力，特别是在力跟踪控制方面取得了显著进展。

一项值得关注的研究提出了一种基于改进递归神经网络的下肢外骨骼机器人力跟踪控制方法。该方法结合了自适应径向基函数神经网络(ARBFNN)和固定时间收敛扰动观测器(FDO)，形成了一个完整的控制框架，称为ARBFNN-FDO-ZNN。这种方法的主要特点是能够有效处理外骨骼系统的不确定性、外部干扰和人机交互力等问题，从而实现精确的力跟踪控制。

ARBFNN-FDO-ZNN控制方案的工作原理可以概括为以下几个关键步骤：

1. 利用ARBFNN处理系统不确定性
2. 设计FDO估计外部扰动
3. 结合ZNN框架实现力跟踪控制
4. 使用李雅普诺夫稳定性方法证明闭环信号收敛性

这种方法的优势在于具有较快的收敛速度和较小的跟踪误差峰值。通过与基于指数逼近律的滑模控制器(ERL-SMC)的对比，ARBFNN-FDO-ZNN方法展现出了更好的力跟踪性能。

此外，研究人员还通过实验证明了该控制方案在外骨骼机器人精确力跟踪控制问题上的有效性。这一研究成果为外骨骼机器人控制领域提供了一个新的思路，有望推动外骨骼机器人在医疗康复、工业辅助等领域的应用。

值得注意的是，这项研究不仅展示了神经网络在外骨骼机器人控制中的应用价值，还强调了多学科交叉的重要性。通过整合神经网络、控制理论和机器人学的知识，研究人员成功开发出了一种更为智能和高效的控制方法。这种跨学科的研究方法可能会成为未来外骨骼机器人发展的主要趋势，推动这一领域向更高水平迈进。

智能感知系统

在外骨骼机器人的智能感知系统中，多模态信息融合技术已成为提高人机交互质量的关键。近年来，研究人员在这方面取得了显著进展，为外骨骼机器人的人机协同控制奠定了坚实的基础。

一项值得关注的研究提出了一种基于多信息融合的下肢外骨骼机器人感知系统。该系统巧妙地结合了多种传感器数据，包括:

为了提高数据处理的精度和效率，研究人员开发了两种专门的滤波算法：

1. 变增益卡尔曼滤波算法 ：应用于IMU传感器数据的姿态角度解算
2. Savitzky-Golay滤波算法 ：用于FSR压力数据的预处理

这两种算法的有效组合使得系统能够准确捕捉和分析复杂的步态特征，为人机协同控制提供了可靠的依据。

该感知系统的一个突出优点是其 多模态信息融合能力 。通过综合考虑关节角度、人机交互力和足底压力等多种感知量，系统能够全面反映穿戴者的运动状态和意图，从而实现对外骨骼机器人更加精细和智能的控制。这种多维度的数据融合不仅提高了感知系统的鲁棒性，还增强了外骨骼机器人对外部环境变化的适应能力。

实验结果令人鼓舞，表明该感知系统能够：

• 准确获取和融合关节角度、人机交互力和足底压力数据
• 实时识别穿戴者的步态特征
• 具备高精度、高稳定性的角度解算能力
• 有效处理交互力感知和FSR压力数据

这些研究成果为外骨骼机器人感知系统的优化提供了宝贵的参考，同时也推动了外骨骼机器人控制系统及策略的整体发展。通过不断完善智能感知系统，外骨骼机器人有望在医疗康复、工业辅助等多个领域实现更广泛、更高效的应用。

三、外骨骼机器人的基本结构

机械结构设计

在外骨骼机器人的机械结构设计中，关键组件包括 关节部分、长度调节结构、驱动电机和减速器。设计人员需基于人体解剖结构和运动机理，确定外骨骼的尺寸调节范围和自由度分配。为确保结构强度和安全性，常采用 有限元分析软件 进行机械强度校核和模态分析。这种设计方法确保了外骨骼机器人能够安全、有效地辅助人体运动，同时满足不同体型使用者的需求。

驱动系统

在外骨骼机器人的驱动系统设计中，主要有三种类型的驱动方式： 电机驱动、气压驱动和液压驱动。其中，电机驱动因其结构简单、易于控制等特点，在外骨骼机器人中应用最为广泛。电机驱动可分为两种方案：

1. 直接安装盘式电动机于旋转关节
2. 利用电动推杆驱动

气压和液压驱动虽然原理相似，但在性能上有明显差异。液压驱动相比气压驱动具有体积小、重量轻、结构紧凑等优势，但由于对油液温度敏感、系统效率较低等因素，在实际应用中面临一定挑战。这些驱动方式的选择直接影响外骨骼机器人的性能和适用场景，因此在设计时需要权衡各方面因素，选择最适合的驱动方案。

传感器系统

在外骨骼机器人的传感器系统中，关键传感器类型主要包括：

1. 惯性测量单元(IMU) ：用于测量机器人各关节的角速度和加速度。
2. 力敏电阻(FSR) ：安装在足底，用于检测地面反作用力。
3. 力传感器 ：安装在人机接口处，用于测量人机交互力。

这些传感器通过采集多模态信息，为外骨骼机器人提供全面的状态感知能力，支持精确的运动控制和人机交互。例如，IMU数据可用于实时计算关节角度，而FSR则有助于识别步态周期的不同阶段。力传感器则允许外骨骼感知用户的意图和需求，实现更自然、流畅的动作协调。

四、人机交互与控制策略

意图识别技术

在外骨骼机器人的人机交互系统中，意图识别技术扮演着至关重要的角色。近年来，研究人员在外骨骼机器人意图识别领域取得了显著进展，为提高人机协作的效率和舒适度做出了重要贡献。

一项值得关注的研究提出了一种基于 多传感器信息融合 的运动意图识别方法。该方法通过结合 脚底压力信号 和 人体运动相关信息 ，实现了对人体运动意图的精确识别。具体来说，研究人员利用 支持向量机(SVM) 技术成功识别了8种不同的运动模式，包括：

• 静态模式 ：静坐、双腿站立
• 动态模式 ：步行、跑步、上下斜坡、上下楼梯

实验结果表明，SVM算法在运动模式识别方面表现出色，特别是在采用特定的数据处理方法后，其性能得到了进一步提升。研究人员发现，使用 宽度为50 ms、增量为20%的滑动窗口 对数据进行特征提取，并结合 主成分分析(PCA)降维处理 来压缩数据，可以显著提高数据处理的实时性。

除了运动模式识别，该研究还在 运动相位识别 和 状态切换事件预测 方面取得了重要进展。研究人员采用 神经-模糊推理系统 进行运动相位识别和状态切换事件预测，实验结果显示：

相位识别准确率达到99%，相位切换事件的预测与真实值的平均偏差仅为1.5 ms

这一结果充分证明了该方法在外骨骼机器人意图识别中的有效性和实用性。

值得注意的是，该研究还对外骨骼机器人意图识别技术的未来发展提出了展望。研究者指出，未来的努力方向应集中在 扩充步态数据库 和 算法参数优化 上，以进一步提高算法的性能和可靠性。此外，研究者还计划将算法移植到嵌入式平台，并对其性能进行全面评估，这将有助于推动意图识别技术在外骨骼机器人系统中的实际应用。

这项研究为外骨骼机器人意图识别技术的发展提供了有价值的见解和实践经验，为未来的研究和应用奠定了坚实的基础。通过不断提高意图识别的精度和实时性，外骨骼机器人将能够更好地理解和响应用户的需要，从而提供更加自然、流畅的人机交互体验。

自适应控制算法

在外骨骼机器人控制领域，自适应控制算法一直是研究的重点之一。近年来，研究人员在外骨骼机器人自适应控制方面取得了显著进展，尤其在 迭代学习控制 和 基于用户偏好的学习算法 方面表现突出。

迭代学习控制

一项值得关注的研究提出了一种 自适应切换的迭代学习控制策略 ，专门用于绳驱踝外骨骼力控制器的设计。该策略巧妙地结合了峰值迭代学习控制和传统的PD型迭代学习控制，实现了对外骨骼系统力控信号的精确调节。具体而言：

1. 当峰值误差较大时，采用峰值迭代学习控制，仅对力控信号峰值点进行迭代更新；
2. 当峰值误差较小时，切换为传统的PD型迭代学习控制，对力控信号的所有点进行迭代更新。

这种方法的优势在于既能保证助力曲线的平稳升降，又能实现快速收敛和较强的抗干扰能力。实验结果表明，与传统PD型迭代学习算法相比，该自适应切换策略具有以下优点：

• 更快的收敛速度
• 受干扰后更快的恢复速度
• 能够实现行走过程中辅助力的准确跟踪控制

基于用户偏好的学习算法

另一项值得关注的研究是COSPAR算法，它是一种基于用户偏好的自适应学习算法。COSPAR算法结合了Self-Sparring算法和合作学习的思想，通过维护基于可能动作的贝叶斯偏好关系函数，实现对外骨骼步态的个性化优化。该算法的工作流程可以简化为以下步骤：

稀疏数据表示：
使用稀疏矩阵表示高维稀疏数据，如文本数据的词袋模型。
相似度计算：
采用余弦相似度衡量向量间的相似度： $\text{similarity}(x,y)=\frac{x\cdot y}{|x||y|}$
聚类中心初始化：
使用 k-means++ 方法初始化聚类中心：
随机选择一个数据点作为第一个聚类中心。
根据与已选择聚类中心的距离概率分布选择后续聚类中心。
重复直至选择出 ( k ) 个聚类中心。
迭代优化：
将每个数据点分配给与其最相似的聚类中心： $c_j=\arg {\max }_{c_k}\text{similarity}(x_i,c_k)$
更新聚类中心： $c_j=\frac{{\sum }_{x_i\in C_j}{x}_i}{\left|{\sum }_{x_i\in C_j}{x}_i\right|}$
终止条件：
聚类中心不再变化或达到最大迭代次数。
评估指标：
使用轮廓系数、Calinski-Harabasz 指数等评估聚类效果。

COSPAR算法的一大特点是其混合驱动的学习方式，既可以通过查询用户偏好来学习，也允许用户直接提出改进意见。这种方法不仅能够识别用户偏好的行走轨迹，还能洞察用户对某些步态的具体偏好，从而实现更加个性化和人性化的外骨骼步态控制。

这些研究成果展示了自适应控制算法在外骨骼机器人控制中的重要性。通过不断优化和创新控制算法，外骨骼机器人能够更好地适应不同用户的需要和复杂的环境条件，为用户提供更加自然、舒适的辅助体验。未来，随着人工智能和机器学习技术的不断发展，我们可以期待看到更多先进、智能的自适应控制算法在外骨骼机器人领域的应用，推动这一技术向更高水平发展。

五、外骨骼机器人的应用领域

医疗康复

外骨骼机器人在医疗康复领域展现出巨大潜力，尤其在 神经系统疾病患者的步态康复训练 中发挥重要作用。通过精确模拟人体膝关节在矢状平面内的复杂运动，新型仿生膝关节外骨骼机器人能够为患者提供更自然、有效的康复体验。这种先进技术不仅提高了康复训练的效果，还显著提升了患者的舒适度和参与积极性。此外，外骨骼机器人在 脊髓损伤、脑卒中和帕金森病 等疾病的康复治疗中也显示出良好的应用前景，为患者重新获得独立生活能力提供了新的希望。

工业辅助

继医疗康复领域之后，外骨骼机器人在工业辅助方面同样展现出巨大潜力。在制造业和物流行业中，外骨骼机器人主要用于 重物搬运和长时间站立作业 ，显著减轻工人劳动强度，提高工作效率。特别是在汽车装配线和仓储管理等场景中，外骨骼机器人通过辅助工人完成重复性高的体力劳动，不仅降低了职业伤害风险，还优化了整体生产流程。这种应用不仅体现了外骨骼机器人在工业自动化中的价值，也为改善工作环境、提升员工福祉做出了积极贡献。

军事用途

在外骨骼机器人的军事应用中，美国洛克希德·马丁公司开发的 FORTIS外骨骼装置 展现出卓越性能。这款专为军事用途设计的产品采用人工智能技术分析和复制人的行走模式，为作战步兵提供额外力量和机动能力。FORTIS的核心优势在于其轻量化设计和独立执行器系统，使士兵能够在携带180磅重物的情况下轻松攀爬五层楼梯，显著提升近战城市作战中的机动性、速度和力量。这种外骨骼技术不仅增强了士兵的负重能力，还提高了他们在复杂地形和高强度任务中的持久性和灵活性，为现代军事行动提供了强有力的支持。