终版外骨骼预研报告.ppt

可穿戴外骨骼机器人预研 提纲 外骨骼研究绪论国内外外骨骼系统研究内容及方法外骨骼发展的挑战 现代机器人所具有的机械动力装置 使得机器人可以轻而易举的完成很多艰苦任务 另一方面虽然现代机器人控制技术有了长足的发展 但还远达不到人的智力水平 包括决策能力和对环境的感知能力等 因此 将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来 综合为一个系统 将会带来前所未有的变化 外骨骼研究绪论 设计思想 外骨骼 机械化服装 实质上是一种可穿戴机器人 它将人的智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起 可以给人提供额外的动力或能力 由于其安装位置和产生的作用和生物界中的骨骼很相似 故将其称为人类外骨骼 外骨骼 exoskeleton 定义 提纲 外骨骼机器人的概念最先在上世纪60年代由美国通用公司提出 上世纪70年代 美国麻省理工大学也开始立项研究 2000年以后 加州伯克利分校研制的外骨骼系统被美国军方看中 开始运用到军事领域 之后 欧洲的汽动外骨骼机器人和日本以康复训练为主的外骨骼机器人相继问世 中国起步较晚 发展 外骨骼机器人通过不断调整功能 成为可以多功能地辅助人体机能的系统 主要分为两类 一类是军用 以负重为主 另一类是商用 增强人体功能 外骨骼机器人也可以广泛应用于登山 旅游 消防 救灾等需要背负沉重的物资 装备而车辆又无法使用的情况 外骨骼的应用 洛克希德 马丁 HULC 用于增强士兵力量 忍耐力和防止疲劳的负重外骨骼设备 HULC 不能给臂膀提供助力 只是下肢助力 能够负重200磅 可以不费力气每小时16公里的速度行走 HULC的灵活性非常强 穿戴它的士兵可以轻松地奔跑 行走 下跪 深蹲 匍匐电池工作时间为1小时 HULC Bleex 伯克利下肢末端外骨骼 简称BLEEX 是由加利福利亚大学提出来的一项外骨骼技术 该设计旨在提高穿戴者力量和耐力方面的能力 而且可以允许穿戴者背部负重 BLEEX可以用于军队士兵 野地消防队员 救灾人员等 或者处理其他一些紧急情况 最大负载45kg 电源可维持20小时 Raytheon XOS2 XOS2 提供全身助力 雷神公司研制的外骨骼系统在目前是最先进的 2010年第二代外骨骼机械装XOS2研发出来 虽然此设计重达90公斤 但军人穿上它后 不但可轻易搬起百斤重物 还可重复击穿七八厘米厚的木板 并且活动自如 XOS2由一系列传感器 传动装置以及控制器所构成 并由高压液压驱动 目前XOS系统有一个重大缺陷 就是利用自带的电池只能使用40分钟 Body Extender 提供全身助力 意大利 RECROPerceptualRoboticsLaboratory 最大负重50kg RoboticsExoskeleton 康复 新西兰 RoboticsExoskeleton 康复 由新西兰REXBiotic公司研制的机械外骨骼 使用腰间的操纵杆和控制盘进行姿态控制 采用充电电池驱动 2小时 可更换 售价15万美金 大力神 法国巴黎举行的2011年国际军警保安器材展 法国某防务公司展出了 大力神 HERCULE 协同可穿戴式外骨骼 旨在使穿戴者能够轻松携带重物 大力神 外骨骼的独特之处在于不采用无线电控制 能够自动探测到肢体运动 随后根据支持意图代替穿戴者执行这一动作 与其他竞争项目不同的是 大力神 外骨骼采用专利技术 具备出色的性能和密实度 大力神 可携带100千克重物 其电池可使穿戴者以4千米 小时的速度行进大约20千米 日本HAL 5 商业化 HAL 5是一款可以穿在身上的机器人 高1600毫米 重23公斤 利用充电电池 交流电100V 驱动 工作时间可达到近2小时40分钟 HAL 5可以帮助佩戴者完成站立 步行 攀爬 抓握 举重物等动作 日常生活中的一切活动几乎都可以借助HAL 5完成 HAL 5装有混合控制系统 无论是室内还是户外均有不错表现 HAL能够快于穿戴者几微秒而运动 可以让用户与Exoskeleton之间的无缝体验变得更完美 日本HAL 5 商业化 松下 现实版高达机器人 powerleader 脑控 更大挑战更美未来 巴西瘫痪少年为世界杯开出的第一个球 由美国杜克大学的巴西神经科学家米古尔 尼科莱利斯与德国慕尼黑理工大学的戈登 陈联合开发的 第一次 外骨骼 由大脑活动控制 并将信息反馈给佩戴者 国际 再次行走计划 这套装置通过患者大脑意识活动进行控制 大脑活动可由放置在患者头皮或大脑的电极探测到 信号经无线传输到患者背包内一台笔记本大小的计算机装置中 会被转换成数字化的行动指令 再转换成机械动作 传感器结合机械外骨骼结构 能够将触觉 温度和力量信息反馈至使用者 相关的信息可反馈在显示器或者振动电机上 这款外骨骼是长达30年的研究的结晶 期间共发表了200多篇科学论文 进行了无数次临床试验 1984年 尼可莱里斯正式迈向这条研究道路 当时他撰写了有关肌肉控制中神经连接的博士论文 他说 过去两年时间里 我们共从巴西政府手中拿到1400万美元经费 只有美国政府为研制一种机械臂提供的研究经费的四分之一或者五分之一 脑控 更大挑战更美未来 中科院常州先进制造技术研究所 研制了名为EXOP 1 认知外骨骼机器人1号 的外骨骼机器人 它有脚 有腿 与人的下半身十分相似 本体全部由航空铝打造 在人体的腰部和腿部分别设有9处固定带 并装有22个传感器 6个驱动器和1个控制器 重约20公斤 计划负重70斤 每条腿都有3个电机 每个电机对应了腿部的人体的髋关节 膝关节和踝关节 通过电机 达到给每个关节助力的作用 在系统膝关节上侧 设置了5格档位 身高1 7米到1 8米的人穿戴可以根据身高自行调节 而鞋子也是特别定制的 每只足底装了4个传感器 一套外骨骼系统造价在30万元以内 到搭建本体 做控制 传感器 需要攻克降低机器人重量 电机联调和如何准确获取运动意图等难题 人要抬腿走路时 会产生一个运动趋势 这个信号传达给足底的传感器 反应到大小腿肌肉 再传达给控制器和驱动器 继而自动设定关节的旋转角度 系统本身通过检测压力变化和人体姿态变化 解读运动意图 推动人体行走 达到相一致的动作 中科院常州先进制造技术研究所 工作原理 华东理工 阿力 中科院合肥智能机械研究所南京军区总医院 能使人体骨骼的承重减少50 以上导线连接着腰部 膝盖和小腿等部位的传感器 能探测人体肌肉活动 传导放大单兵肢体动感 并借助电机提供的能量 使机械和人融为一体 从而实现非凡的弹跳力 研究内容 外骨骼工作原理 外骨骼工作原理 外骨骼既要接受来自计算机的命令信号也要从人体运动姿态和重物获取信号 通过对ZMP ZeroMomentPonit 检测 补偿控制整个人体的平衡 步态分析 步态分析 肢体在时间和空间上的协调关系 通过协调步态到体态的运动实现双足行走 运动学主要是进行步态设计研究 动力学主要是力控制研究和稳定性研究 通过研究达到稳定高度动态步行和高抗干扰能力 Harved外骨骼步态分析 人体下肢外骨骼概念图 主要由两条金属腿 后背架和能量单元组成 人体外骨骼服装在运动学方面接近于人类的运动学 但是在形状上并不一定完全相似于人 人体下肢骨骼服装设计 总体结构 大腿结构 小腿结构 人体下肢骨骼服装设计 脚结构3DOF 躯干结构后背架装载计算机和能量装置 髋部结构3DOF 驱动方式 液压驱动 气动驱动 电机驱动 形状记忆金属驱动器 磁致伸缩驱动器H Kazeronoi于2004年气动力控制机器人的系统 气动控制关节产生扭矩 把气动驱动器转换为力发生器 McKibben气动人工肌肉 里层橡胶管 外层纤维纺织网套 与生物肌肉相似 运动上有柔顺性 对人体十分安全友好 应用在仿人形机器人 行走 或爬行机器人 医疗康复及辅助器械等领域 传感器 编码器检测细微运动 输出数字信号 安装在转动关节处 测量转动关节转动角度倾斜角传感器用于外骨骼及人的姿态控制中加速度传感器用于线性执行机构的高精度控制和机器人的关节反馈控制 作为上体姿态传感器力传感器安装在机器人的关节上ERF传感器测量地面对脚反射力EMG传感器用Myoelectricity揭示肌肉活动 估计扭矩肌肉刚度传感器测量肌肉受力信号 获得肌肉信息 信息融合算法 运动控制 步态设计 关节设置 动力学数学模型 稳定性控制 步态稳定性控制 为确保步行姿态的稳定性 人体外骨骼机构的驱动扭矩必须能够调节 系统必须具有能够根据理想状态和实际状态之差进行校正的功能 不仅要考虑对机构本身的控制 还要考虑与使用者相适应得问题 挑战 目前人类外骨骼主要通过采集肌电信号和力反馈的方法来获取穿戴者的运动意图 肌电信号采集的方法有很严格的外界环境限制 一旦信号采集的地方发生微小的变化 如流汗等 就会干扰信号的采集 而力反馈法具有本质上的滞后性 当穿戴者做出快速的运动或者高难度的动作时就会有阻碍感 人类外骨骼主要通过捆绑的方式与穿戴者连接在一起 而这种