几种外骨骼机器人技术详解

外骨骼机器人

2021/5/91外骨骼机器人外骨骼机器人：将人的智力和机器人的“体力”完美结合，在助力、助老、助残及军事领域有广阔应用前景2021/5/92BLEEX外骨骼机器人-研发背景加州大学伯克利分校于2000年在美国国防部“增强人体机能的外骨骼”(EHPA)项目的资助下，研制一种机器骨骼。未来士兵佩戴外骨骼机器人后，将成为一名超级士兵，可携载更多的武器装备，火力威力增强，防护水平提高，同时可克服任何障碍，高速前进，不会产生疲劳感。2005年进行外骨骼（BLEEX）样机试验测试。科幻中的超级战士佩戴BLEEX的士兵2021/5/93BLEEX外骨骼-技术指标BLEEX有两个动力拟人腿，单腿有7DOF（髋关节3DOF，膝关节1DOF，踝关节3DOF）连杆采用轻质钛合金材料混合液动—电动能量供给单元，能源可维持20h持续工作直线液压驱动（小巧/轻质/大力）自重38kg，最大负载37kg，最大负载步行速度0.9m/s，无负载步行速度1.3m/s2021/5/94BLEEX外骨骼-关键技术拟人化结构设计技术人步行时的最大值BLEEX的最大值男性军人平均最大值踝关节弯曲14.1°45°35°踝关节伸展20.6°45°38°踝关节外展无效20°23°踝关节内收无效20°24°膝关节弯曲73.5°121°159°髋关节弯曲32.2°121°125°髋关节伸展22.5°10°无效髋关节外展7.9°16°53°髋关节内收6.4°16°31°外侧完全旋转13.2°35°73°内侧完全旋转1.6°35°66°2021/5/95BLEEX外骨骼-关键技术BLEEX的关节与人下肢关节匹配，连杆长度可调2021/5/96BLEEX外骨骼-关键技术BLEEX的受驱动关节都装有航空轴承，克服偏轴距和摩擦力的影响，保持小断面、无间隙和低摩擦特性。BLEEX每条腿装有40多个不同类型传感器，实时获取运动及力等信息。2021/5/97BLEEX外骨骼-关键技术依据传感器信息，基于最小化人机交互作用设计控制策略，控制BLEEX伴随人体运动，保证了人体运动的安全、自由。2021/5/98BLEEX外骨骼-关键技术混合能量供给单元，液压驱动关节运动，电源供给传感、计算和控制系统；电路采用高速同步环状网络拓扑结构，保证数据采集、处理的实时性。2021/5/99BLEEX外骨骼技术拓展为市场化BLEXX技术成立的BerkelyBionics公司，研发了第二代军用外骨骼ExoHiker™和ExoClimber™ExoHiker™ExoClimber™为大负载，长时工作设计自重14kg，负载68kg佩戴1磅的电池，以4km/h的速度，行进70km噪声微小穿戴后不妨碍驾驶车辆除了大负载和长时特征，可以快速上下台阶/斜坡自重22kg，负载68kg佩戴1磅的电池，在最大负载条件下，至少爬183m斜坡噪声类似一台办公打印机2021/5/910BLEEX外骨骼技术拓展BerkelyBionics公司于2009年研发了第三代军用外骨骼HULC™HULC使用者可灵活的进行下蹲、匍伏和上肢举重自重24kg，最大负载90kg，适用身高1.62m至1.87m的使用者，使用者30s内可以脱下持续最大速度11km/h，爆发速度16km/h8块锂电池可供HULC工作96小时2021/5/911HAL外骨骼机器人-研发意义随着老年人口的增多，助老成为许多国家面临的关键社会问题提高肢体残疾患者自主生活/工作能力一直是全世界助残事业的重点增强体力劳动者的劳动能力，辅助劳动者在危险环境（如地震灾区）中尽快完成繁重劳动HAL外骨骼机器人旨在辅助体弱或运动不便人群正常运动；并能增强劳动者体力，提高劳动者的工作效率2021/5/912HAL外骨骼机器人-研发历程HAL（HybridAssistiveLimb）由的山海嘉之教授创立Cyberdyne公司研制。HAL-5于2005年亮相爱知世博会，并获最佳发明奖，2012年已有130多家医疗机构使用，2013年成为世界上首个获得全球安全认证的外骨骼机器人。2021/5/913HAL外骨骼机器人-技术指标HAL-5是全身型外骨骼系统，高1.6m，重约23kg，下肢约15kg全身共26DOF，每条腿有8DOF充电电池，工作电压100V连续工作时间2小时40分实现站、坐、走、蹲及上下台阶等运动最大负载70kg行走速度可达到4km/h使用前，需要30分钟的训练2021/5/914HAL外骨骼机器人-关键技术电机驱动各个运动关节，HAL包括EMG电极、足底压力传感器、编码器等多种记录人机运动状态的传感器，信息传输到中央处理器进行分析处理。2021/5/915HAL外骨骼机器人-关键技术HAL通过捕获激发人体运动的神经电信号（肌电信号）识别人的运动意图，基于运动意图实现自主控制。2021/5/916HAL外骨骼机器人-关键技术HAL基于人体运动步态分析，记忆使用者的运动特征作为参考值，控制外骨骼实现平滑运动。2021/5/917HAL外骨骼机器人-关键技术HAL的双控制系统设计步态参考模型运动意图估计2021/5/918HAL外骨骼机器人-应用实例HAL辅助残疾患者进行康复训练，提升患者训练的自主性，提高康复效率，到2013年，已有160套HAL外骨骼在医疗机构应用于康复训练测试。2021/5/919HAL外骨骼机器人-应用实例HAL最新产品应用于福岛核电站的清理工作，外骨骼可以防止核辐射，极大提高工作效率2021/5/920HAL外骨骼机器人-市场分析HAL康复设备已于2008年市场化，目前仅在日本向公共机构出租，租金每个月US$2000。产品于2013年获得了全球安全认证，将投入批量化生产，预计前期每年产量500~800套，前期仍以出租的方式投入市场，对其它国家出租价格每月US$1300~US$3900。由于有巨大的市场需求，市场效益十分可观。2021/5/921外骨骼机器人-关键技术外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术，核心部分包括以下几个方面：1、构造材料：外骨骼必须用坚韧、轻质且有弹性的复合材料制成。2、能量源：外骨骼的能量必须足以支持