外骨骼机器人发展.docx

外骨骼技术研制始于 1960 年代的美国，最早的研究成果是美国通用公司研发的 Hardiman 外骨骼系统，其主要采用电机驱动控制，可以轻易举起重物。1978 年，美国麻省理工学院研究出“被动式外骨骼助力机器人”。MIT的外骨骼下肢助力机器人能够在负载 36公斤的情况下行走 1m/s，其中 80%的负重被传递到地面上。它的关节自由度配置包括髋关节有 3 个自由度，膝关节 1 个自由度。穿戴者与机器人在肩膀、腕关节、大腿和脚部连接，机器人总重量是 11.7Kg。驱动方式不采用电力驱动，只利用弹簧储能和变阻尼器驱动关节驱动。髋关节伸/屈运动时，伸运动时弹簧释放能量，屈运动时弹簧储存能量，膝关节利用磁流变阻尼器，踝关节利用碳纤维弹簧缓冲脚后跟对地面的冲力。传感器系统是由安装在外骨骼下肢助力机器人外壳的应变桥式应变片传感器和安装在膝关节的电位计组成。2004年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼机器人BLEEX是DARPA项目的第一台带移动电源和能够负重的下肢外骨骼机器人。BLEEX由-个用于负重的背包式外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源，以全面增强人体机能。BLEEX的每条腿具有7个自由度(髋关节3个，膝关节1个，踝关节3个)，在该装置中总共有40多个传感器以及液压驱动器，它们组成了一个类似人类神经系统的局域网。BLEEX的负重量能达至75kg，并以09ms的速度行走，在没有负重的情况下，能以13ms的速度行走。目前，洛克希德马丁公司和伯克利分校共同研制了新一代外骨骼机器人HULC。这款新型外骨骼继承了BLEEX的优点，对一些液压传动装置和结构进行了优化设计，不但能够直立行进，还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作，穿上HULC后能够明显降低人体对氧气的消耗量。在一次充满电后，HULC可保证穿着者以48kmh的速度背负90kg重物持续行进一个小时。而穿着HULC的冲刺速度则可达到16kmh。HULC穿戴起来也非常方便，士兵只需将腿伸进靴子下方的足床，然后用皮带绑住腿部、腰部以及肩部即可，完全脱下需30秒的时间。萨克斯公司完成的第一款外骨骼机器人是WEAR。2008年4月，萨克斯公司成功研制出外骨骼机器人XOS。外骨骼XOS代表了外骨骼领域最尖端的技术。它利用附在身体上的传感器，可以毫不延迟地反应身体的动作，输出强大的力量。当穿上XOS时，能举起200磅的重物就好像举20磅的，可以连续举50500次。目前XOS有一个重大缺陷，就是利用自带的电池只能使用40分钟。2005年，日本筑波大学Cybernics实验室研制出了系列下肢外骨骼机器人HAL，用于协助步态紊乱的患者行走。它采用了角度传感器、肌电信号传感器、地面接触力传感器等传感设备来获得外骨骼和操作者的状态信息。所有动力驱动、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备部装在背包中，使用装在腰间的电池进行供电。这种装置能帮助残疾人以4kmh的速度行走，毫不费力地爬楼梯， HAL的运动完全由使用者通过自动控制器来控制，不需要任何操纵台或外部控制设备。穿上HAL，上臂可以负重40 kg，下肢可以负重100-180kg。2000年，日本神奈川理工学院研制的“动力辅助服”PAS可使人的力量增0.5-1倍，这种装置最初是为护士研制的，用来帮助她们照料体重较大或根本无法行走的病人。该动力辅助服选用了微型气泵、便捷式镍镉电池和嵌入式微处理器使系统的动力提供和控制系统小型化，它使用肌肉压力传感器分析佩戴者的运动状况，通过复杂的气压传动装置增加人的力量。肘部、腰部和膝部的关节驱动采用新式的可直接驱动的旋转位移式气动驱动器，肌肉力量信号的采集是通过布置于上臂、大腿和腰部的肌肉硬度传感器来实现。以色列埃尔格医学技术公司研发外骨骼助行机器人Rewalk，总重 18Kg，运动速度是 1Km/h，能够连续工作 8 小时。它可以完成行走、站立、坐下、爬楼梯，上坡和下坡等动作。本田电机公司2008年研制了一款步行助力机器人“Walking assist”总重2Kg的助行机器人有两个电机驱动，能够连续工作2小时，步行速度达到4.5km/h，它可以帮助单腿受到损伤的穿戴者。韩国西江大学研制的外骨骼助行机器人。该外骨骼结构上的显著特点是整个装置由外骨骼和手推车两个部分组成。所有的驱动元件,包括电池、电机及控制器等较重的周边设备都布置在手推车中。 他们采用类似于机电信号的肌纤维膨胀信号, 利用绑在大腿和小腿上的气囊内的气体的压力变化来测得, 而在人腿自由摆动, 肌纤维不膨胀时, 则利用关节处的角度传感器的信号来触发驱动器的动作。美国芝加哥康复研究所的外骨骼机器人Lokomat。它主要由步态矫形器、先进的体重支援系统和跑步机组成。通过直接安装在动力装置上的力转换器增加了测量患者活动能力的功能, 而且可以使步态援助水平得到调整, 使导引力从零到最大范围进行调节, 以适应不同使用者腿的锻炼。国内对外骨骼下肢助力机器人的研究开始与 20 世纪初，目前外骨骼下肢助行机器人的研究正处于起步阶段。中科大智能所研究的可穿戴型助行机器人，具有10个自由度，系统利用表皮肌电信号分析穿戴者的运动意图。浙江大学研制出了多自由度下肢外骨骼助行机器人，驱动器使用气动驱动，髋关节和膝关节驱动器为圆形气缸。它可以将足底压力信号和气缸的位移控