助行外骨骼機器人

1、,,,,,,,,,,,助行外骨骼機器人,主要內(nèi)容,1,2,外骨骼機器人,外骨骼機器人： 外骨骼機器人是一種人工外骨骼，也是一種機械機構(gòu)，能穿戴在人體外部，可以給人提供保護、額外的動力和能力，增強人體機能，使得操作者能輕松地完成很多艱難的活動和任務(wù)。,助行外骨骼機器人,助行外骨骼機器人是下肢外骨骼機器人，屬于外骨骼機器人的一種，也是應(yīng)用最為廣泛的一種。 目前的助行外骨骼機器人系統(tǒng)的研制和應(yīng)用可

2、以分為民用和軍用兩大類。 民用方面的外骨骼機器人系統(tǒng)主要用于輔助殘疾人、老年人和喪失部分運動能力的病人行走；軍用方面的外骨骼機器人系統(tǒng)主要用來增強普通士兵的能力，可以讓普通士兵成為在負重較大的情況下依舊可以跳過較高物體和快速奔跑的超級士兵。,3,助行外骨骼機器人發(fā)展應(yīng)用,外骨骼下肢助行機器人的研究始于20世紀 60 年代末期，主要在歐美等一些發(fā)達國家展開，最初的外骨骼助力機器人分別在兩個地點幾乎同時產(chǎn)生，分別是美國和南斯

3、拉夫，美國研究這技術(shù)的最初目的是增強人的能力, 往往是用于軍事目的, 而前南斯拉夫的目的是用來輔助殘障人。 上述兩個項目都以失敗告終，下肢外骨骼機器人的研究在其后經(jīng)過一段時間陷入沉寂。 但到世紀末, 下肢外骨骼機器人又重新得到世界各國的關(guān)注,世界上很多 國家都積極地投入到研究中。下面分別介紹一些在下肢外骨骼方面比較成熟的研究成果。,“哈迪曼”由 30 個水壓力動力源和伺服隨動鉸鏈組成，體積巨大，重約 680 公斤，具有

4、30 個自由度，為上肢和下肢提供助力幫助，控制系統(tǒng)采用主-從控制模式，最終能夠?qū)⑺闹牧α糠糯?25 倍。,4,1978 年，美國麻省理工學院研究出“被動式外骨骼助力機器人”。MIT的外骨骼下肢助力機器人能夠在負載 36公斤的情況下行走 1m/s，其中 80%的負重被傳遞到地面上。它的關(guān)節(jié)自由度配置包括髖關(guān)節(jié)有 3 個自由度，膝關(guān)節(jié) 1 個自由度。穿戴者與機器人在肩膀、腕關(guān)節(jié)、大腿和腳部連接，機器人總重量是 11.7Kg。 驅(qū)動

5、方式不采用電力驅(qū)動，只利用彈簧儲能和變阻尼器驅(qū)動關(guān)節(jié)驅(qū)動。髖關(guān)節(jié)伸/屈運動時，伸運動時彈簧釋放能量，屈運動時彈簧儲存能量，膝關(guān)節(jié)利用磁流變阻尼器，踝關(guān)節(jié)利用碳纖維彈簧緩沖腳后跟對地面的沖力。傳感器系統(tǒng)是由安裝在外骨骼下肢助力機器人外殼的應(yīng)變橋式應(yīng)變片傳感器和安裝在膝關(guān)節(jié)的電位計組成。,5,2004年，加州大學伯克利分校的下肢外骨骼機器人BLEEX。由一個用于負重的背包式外架、兩條動力驅(qū)動的仿生金屬腿及相應(yīng)動力設(shè)備組成, 使用背包中的液壓

6、傳動系統(tǒng)和箱式微型空速傳感儀作為液壓泵的能量來源, 以全面增強人體機能。 BLEEX的每條腿具有個7自由度(髖關(guān)節(jié)3個, 膝關(guān)節(jié)1個,踝關(guān)節(jié)3個）,在該裝置中總共有40多個傳感器以及液壓驅(qū)動器, 它們組成了一個類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)。BLEEX的負重量能達到75kg,并以0.9m/s的速度行走, 在沒有負重的情況下,能以的1.3m/s速度行走。,6,目前,洛克希德·馬丁公司和伯克利分校共同研制了新一代外骨骼機器人HU

7、LC, 這款新型外骨骼繼承了BLEEX的優(yōu)點, 對一些液壓傳動裝置和結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計, 不但能夠直立行進, 還可完成下蹲和甸甸等多種相對復雜的動作, 穿上后能夠明顯降低人體對氧氣的消耗量。 在一次充滿電后, 可保證穿著者以4.8km/h的速度背負90kg重物持續(xù)行進一個小時。而穿著HULC的沖刺速度則可達到16km/h。HULC穿戴起來也非常方便, 士兵只需將腿伸進靴子下方的足床, 然后用皮帶綁住腿部、腰部以及肩部即可,完全脫

8、下需30秒的時間.,7,美國薩克斯公司完成的第一款外骨骼機器人是WEAR。2008年4月, 成功研制出外骨骼機器人XOS, 如圖所示。外骨骼機器人XOS代表了外骨骼領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。它利用附在身體上的傳感器, 可以毫不延遲地反應(yīng)身體的動作, 輸出強大的力量。當穿上XOS時, 能舉起200磅的重物就好像舉20磅的, 可以連續(xù)舉50一500次。目前XOS有一個重大缺陷, 就是利用自帶的電池只能使用40分鐘。,WEAR,XOS外骨骼機器人,8

9、,2005年，日本筑波大學研制出了世界上第一種商業(yè)全身式外骨骼助行機器人HAL，它的功能主要是幫助老年人和殘疾人走路，爬樓梯及搬東西等。 這款機器人是全身式的外骨骼助力機器人，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處通過鉸鏈連接并只有1個自由度，利用諧波直流電機驅(qū)動，踝關(guān)節(jié)是被動的。 HAL系列的助行外骨骼機器人是通過分析人體表皮肌電信號進行控制的。它擁有兩個控制系統(tǒng)：一個是以肌電信號為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，一個是以步行模式為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。通過分析這兩個系

10、統(tǒng)來判斷使用者的運動意圖。,9,2000年，神奈川理工學院研制的全身式外骨骼機器人主要用于護士搬運和移動病人等工作，該機器人可以輕松的搬運85kg的病人。機器人是由肩部，手臂，后背，腕部和腿部機械單元組成的。它的驅(qū)動器采用設(shè)置在肩部、腕部和腿部微型旋轉(zhuǎn)氣動驅(qū)動器。 傳感器系統(tǒng)由具有稱重功能的肌肉傳感器?？刂品椒ú捎弥鲝目刂疲鳈C械單元一旦發(fā)生運動，這運動將被肌肉傳感器檢測到，力度的不同由稱重傳感器的觸頭檢測到，并由氣動驅(qū)動器驅(qū)動

11、關(guān)節(jié)跟隨運動。,10,以色列埃爾格醫(yī)學技術(shù)公司研發(fā)外骨骼助行機器人Rewalk，總重 18Kg，運動速度是 1Km/h，能夠連續(xù)工作 8 小時。它可以完成行走、站立、坐下、爬樓梯，上坡和下坡等動作。 本田電機公司2008年研制了一款步行助力機器人“Walking assist”總重2Kg的助行機器人有兩個電機驅(qū)動，能夠連續(xù)工作2小時，步行速度達到4.5km/h，它可以幫助單腿受到損傷的穿戴者。,Rewalk,,Walking as

12、sist,11,韓國西江大學研制的外骨骼助行機器人。該外骨骼結(jié)構(gòu)上的顯著特點是整個裝置由外骨骼和手推車兩個部分組成。所有的驅(qū)動元件,包括電池、電機及控制器等較重的周邊設(shè)備都布置在手推車中。 他們采用類似于機電信號的肌纖維膨脹信號, 利用綁在大腿和小腿上的氣囊內(nèi)的氣體的壓力變化來測得, 而在人腿自由擺動, 肌纖維不膨脹時, 則利用關(guān)節(jié)處的角度傳感器的信號來觸發(fā)驅(qū)動器的動作。,12,美國芝加哥康復研究所的外骨骼機器人Loko

13、mat。它主要由步態(tài)矯形器、先進的體重支援系統(tǒng)和跑步機組成。 通過直接安裝在動力裝置上的力轉(zhuǎn)換器增加了測量患者活動能力的功能, 而且可以使步態(tài)援助水平得到調(diào)整, 使導引力從零到最大范圍進行調(diào)節(jié), 以適應(yīng)不同使用者腿的鍛煉。,13,,國內(nèi)對外骨骼下肢助力機器人的研究開始與 20 世紀初，目前外骨骼下肢助行機器人的研究正處于起步階段。 中科大智能所研究的可穿戴型助行機器人，具有10個自由度，系統(tǒng)利用表皮肌電信號分析穿

14、戴者的運動意圖。 浙江大學研制出了多自由度下肢外骨骼助行機器人，驅(qū)動器使用氣動驅(qū)動，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器為圓形氣缸。它可以將足底壓力信號和氣缸的位移控制信號直接關(guān)聯(lián)起來，能夠較好的判斷穿戴者的運動意圖。,14,上海大學研制一種下肢康復訓練機器人，由外骨骼助行器，減重機構(gòu)和跑步機構(gòu)成。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)各一個自由度，共六個自由度實現(xiàn)在矢狀面內(nèi)運動，通過反復的訓練來幫助患者逐步恢復行走能力,15,關(guān)鍵技術(shù),1.助行外骨骼機器人的

15、步態(tài)分析與步態(tài)穩(wěn)定性控制 步態(tài)分析是人體下肢外骨骼設(shè)計的重要依據(jù)和工具。由于人體下肢外骨骼跟隨人體下肢一起運動,輔助操作者承載,首先考慮的就是下肢外骨骼應(yīng)與操作者具有協(xié)調(diào)一致的動作,與人體下肢具有相同的自由度和運動形式。因此,分析人體下肢自由度、研究人體步態(tài)是設(shè)計下肢外骨骼實現(xiàn)行走的基礎(chǔ)。2.助行外骨骼機器人多傳感器的選擇與信息融合 傳感器是實現(xiàn)自動控制的首要環(huán)節(jié)。下肢外骨骼機器人的傳感器就如同人的神經(jīng)

16、一樣重要, 通過他們感知獲取操作者以及外骨骼的各種運動及數(shù)據(jù), 才使得整個系統(tǒng)能夠按照預期的目標運動。,16,3.助行外骨骼機器人的控制系統(tǒng) 與兩足行走機器人的控制不同, 下肢外骨骼機器人不僅要考慮對機構(gòu)本身的控制, 還要在控制策略上考慮與使用者的相適應(yīng)問題。下肢外骨骼機器人必須能夠同步跟隨使用者的動作, 能夠加強使用者的力量并模仿人類的各種動作, 包括戰(zhàn)場上的前后左右移動躲閃, 故控制算法比較復雜。4.助行外骨骼機器

17、人的驅(qū)動方式與能源 驅(qū)動方式的合理選擇對下肢外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)和性能也有很大的影響。下肢外骨骼通常采用的驅(qū)動方式有三種電機驅(qū)動, 液壓驅(qū)動, 氣壓驅(qū)動。三種驅(qū)動方式各有優(yōu)缺點，應(yīng)用時需要根據(jù)實際分析選擇。,17,發(fā)展趨勢,現(xiàn)有的下肢外骨骼機器人還存在以下幾方面的問題體積大, 重量重, 噪音大，對地面的適應(yīng)性和運動的靈活性還需進一步提高，與使用者的步態(tài)還不完全協(xié)調(diào)，能源的重量較重而且不耐用?；谝陨蠁栴}和下肢外骨骼機器人