助行外骨骼机器人课件

1、助行外骨骼机器人助行外骨骼机器人主要内容主要内容1助行外骨骼机器人简介助行外骨骼机器人简介发展应用现状发展应用现状关键技术关键技术发展趋势发展趋势结论结论2外骨骼机器人外骨骼机器人外骨骼机器人外骨骼机器人： 外骨骼机器人是一种人工外骨骼，也是一种机械机构，能穿戴在人体外部，可以给人提供保护、额外的动力和能力，增强人体机能，使得操作者能轻松地完成很多艰难的活动和任务。助行外骨骼机器人助行外骨骼机器人 助行外骨骼机器人助行外骨骼机器人是下肢外骨骼机器人，属于外骨骼机器人的一种，也是应用最为广泛的一种。 目前的助行外骨骼机器人系统的研制和应用可以分为民用和军用两大类。 民用方面的外骨骼机器人系统主要

2、用于辅助残疾人、老年人和丧失部分运动能力的病人行走；军用方面的外骨骼机器人系统主要用来增强普通士兵的能力，可以让普通士兵成为在负重较大的情况下依旧可以跳过较高物体和快速奔跑的超级士兵。3助行外骨骼机器人发展应用助行外骨骼机器人发展应用 外骨骼下肢助行机器人的研究始于20世纪 60 年代末期，主要在欧美等一些发达国家展开，最初的外骨骼助力机器人分别在两个地点几乎同时产生，分别是美国和南斯拉夫，美国研究这技术的最初目的是增强人的能力, 往往是用于军事目的, 而前南斯拉夫的目的是用来辅助残障人。 上述两个项目都以失败告终，下肢外骨骼机器人的研究在其后经过一段时间陷入沉寂。 但到世纪末, 下肢外骨骼机

3、器人又重新得到世界各国的关注,世界上很多 国家都积极地投入到研究中。下面分别介绍一些在下肢外骨骼方面比较成熟的研究成果。 “哈迪曼”由 30 个水压力动力源和伺服随动铰链组成，体积巨大，重约 680 公斤，具有 30 个自由度，为上肢和下肢提供助力帮助，控制系统采用主-从控制模式，最终能够将四肢的力量放大 25 倍。4 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

4、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。5 2004年，加州大学伯克利分校的下肢外骨骼机器人BLEEX。由一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的每条腿具有个7自由度(髋关节3个,

5、 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的负重量能达到75kg,并以0.9m/s的速度行走, 在没有负重的情况下,能以的1.3m/s速度行走。6 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, 还可完成下蹲和甸甸等多种相对复杂的动作, 穿上后能够明显降低人体对氧气的消耗量。 在一次充满电后, 可保证穿着者以4.8km/h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

6、则可达到16km/h。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.7 美国萨克斯公司完成的第一款外骨骼机器人是WEAR。2008年4月, 成功研制出外骨骼机器人XOS, 如图所示。外骨骼机器人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50一500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。 WEAR XOS外骨骼机器人外骨骼机器人8 2005年，日本筑波

7、大学研制出了世界上第一种商业全身式外骨骼助行机器人HAL，它的功能主要是帮助老年人和残疾人走路，爬楼梯及搬东西等。 这款机器人是全身式的外骨骼助力机器人，髋关节和膝关节处通过铰链连接并只有1个自由度，利用谐波直流电机驱动，踝关节是被动的。 HAL系列的助行外骨骼机器人是通过分析人体表皮肌电信号进行控制的。它拥有两个控制系统：一个是以肌电信号为基础的系统，一个是以步行模式为基础的系统。通过分析这两个系统来判断使用者的运动意图。9 2000年，神奈川理工学院研制的全身式外骨骼机器人主要用于护士搬运和移动病人等工作，该机器人可以轻松的搬运85kg的病人。机器人是由肩部，手臂，后背，腕部和腿部机械单元

8、组成的。它的驱动器采用设置在肩部、腕部和腿部微型旋转气动驱动器。 传感器系统由具有称重功能的肌肉传感器。控制方法采用主从控制，各机械单元一旦发生运动，这运动将被肌肉传感器检测到，力度的不同由称重传感器的触头检测到，并由气动驱动器驱动关节跟随运动。10 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

9、帮助单腿受到损伤的穿戴者。 RewalkWalking assist11 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。12 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

10、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。13 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制信号直接关联起来，能够较好的判断穿戴者的运动意图。 14 上海大学研制一种下肢康复训练机器人，由外骨骼助行器，减重机构和跑步机构成。髋关节、膝关节、踝关节各

11、一个自由度，共六个自由度实现在矢状面内运动，通过反复的训练来帮助患者逐步恢复行走能力15关键技术关键技术1.1.助行助行外骨骼机器人的步态分析与步态稳定性控制外骨骼机器人的步态分析与步态稳定性控制 步态分析是人体下肢外骨骼设计的重要依据和工具。由于人体下肢外骨骼跟随人体下肢一起运动,辅助操作者承载,首先考虑的就是下肢外骨骼应与操作者具有协调一致的动作,与人体下肢具有相同的自由度和运动形式。因此,分析人体下肢自由度、研究人体步态是设计下肢外骨骼实现行走的基础。2.2.助行助行外骨骼机器人多传感器的选择与信息融合外骨骼机器人多传感器的选择与信息融合 传感器是实现自动控制的首要环节。下肢外骨骼机器人

12、的传感器就如同人的神经一样重要, 通过他们感知获取操作者以及外骨骼的各种运动及数据, 才使得整个系统能够按照预期的目标运动。163.3.助行助行外骨骼机器人的控制系统外骨骼机器人的控制系统 与两足行走机器人的控制不同, 下肢外骨骼机器人不仅要考虑对机构本身的控制, 还要在控制策略上考虑与使用者的相适应问题。下肢外骨骼机器人必须能够同步跟随使用者的动作, 能够加强使用者的力量并模仿人类的各种动作, 包括战场上的前后左右移动躲闪, 故控制算法比较复杂。4.4.助行助行外骨骼机器人的驱动方式与能源外骨骼机器人的驱动方式与能源 驱动方式的合理选择对下肢外骨骼机器人的结构和性能也有很大的影响。下肢外骨骼通常采用的驱动方式有三种电机驱动, 液压驱动, 气压驱动。三种驱动方式各有优缺点，应用时需要根据实际分析选择。 17发展趋势发展趋势 现有的下肢外骨骼机器人还存在以下几方面的问题体积大, 重量重, 噪音大，对地面的适应性和运动的灵活性还需进一步提高，与使用者的步态还不完全协调，能源的重量较重而且不耐用。基于以上问题和下肢外骨骼机器人的应用背景, 其未来发展呈现出以下几个趋势：1.1.智能化智能化2.2.人机耦合人机耦合3.3.模块化模块化4.4.微型化微型化18结论结论 助行助行外骨骼机器人作为一种新兴的技术，在民用和