外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座

1可穿戴式康复外骨骼机器人3外骨骼机器人研究现实状况312外骨骼机器人关键技术主要内容外骨骼机器人发展趁势42023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第1页定义

外骨骼机器人：是一个结合了人智能、机械动力装置和机械能量人机结合可穿戴设备。按结构可将外骨骼机器人分为上肢、下肢、全身及各类关节机器人。应用一、外骨骼机器人研究现实状况2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第2页日本Tmsuk企业开发T52Enryu，重量近5吨，身高达3米，可用于任何灾害救援工作中，能帮助工作人员清理路上碎片，能够举起重量近1吨重物，机械臂则能够完成全部类型工作。Stelarc外骨骼是一款肌肉机器人，外形与蜘蛛人类似，长有6条腿，直径到达5米。它是一个混合人机，充气和放气之后便可膨胀和收缩，与其它外骨骼相比含有更高灵活性。使用时，操作人员需站在中间，控制机器朝着面部方向移动。Stelarc外骨骼由流体肌肉传动装置驱动，装有大量传感器。

一、外骨骼机器人研究现实状况2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第3页

被谋杀教授步行辅助设备，由美国弗吉尼亚理工大学凯文·格拉纳塔教授研制下肢外骨骼机器人，能够帮助少肌症患者恢复身体机能，少肌症可造成人体骨骼肌流失,他研制步行辅助外骨骼却仍在帮助着很多患者。

由美国国防高级研究计划局(DARPA)设计伯克利·布里克外骨骼机器人（BLEEX），能够帮助士兵，营救人员以及其它应急人员轻松携带各种设备。一、外骨骼机器人研究现实状况2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第4页

日本科技企业“赛百达因”研制HAL-5是一款半机器人，它装有主动控制系统，肌肉经过运动神经元获取来自大脑神经信号，进而移动肌与骨骼系统。HAL(混合辅助肢体)能够探测到皮肤表面非常微弱信号。动力装置依据接收信号控制肌肉运动。

机甲外骨骼机器人，高约5.48m，由美国阿拉斯加州工程师洛斯·欧文斯创造，由内部驾驶员操控行走。

脑控外骨骼系统：由美国密歇根州大学神经力学试验室设计，可实现骨骼、肌肉与神经系统之间交互作用，全部骨骼和肌肉都有大脑直接控制。一、外骨骼机器人研究现实状况2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第5页

松下充气式外骨骼，用于帮助偏瘫患者，肘部和腕部装有传感器，允许手臂控制8块人造肌肉，人造肌肉内装有压缩空气，用于挤压瘫痪部位。

引力平衡腿部矫形器在设计上用于帮助佩戴者在不受引力影响下走路。因为消除了引力影响，这也就意味着轻偏瘫患者在这种矫形器帮助下能够很轻易行走。借助于这种设备，轻偏瘫患者能够重获力量和控制能力。能够进行调整，能够在腿部移动和引力之间实现一个平衡。一、外骨骼机器人研究现实状况2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第6页机械结构要全方面分析人体各关节运动范围和运动特点，设计时，应该考虑：（1）尽可能遵照拟人标准，外骨骼各肢体关节等机械形状和尺寸参考人体（GB1000-88）；（2）外骨骼各关节如：膝、髋、踝关节，自由度要考虑到人体对应关节，确保其运动形式与人运动形式相同，且各关节要有一定运动范围，使其既不限制人体运动又确保动作安全；（GB24436-）（3）能在不一样环境使用，如：楼梯，草地等。体积小，质量轻，而且能够提供足够大力矩或扭矩，同时要含有良好散热性能。当前惯用设备驱动主要有：液压驱动，气压驱动和电机驱动。当前外骨骼机器人主要以蓄电池供电，移动范围受到蓄电池容量和效率限制,怎样提升蓄电池单位体积容量和外骨骼使用效率是关键问题。

未来能够寻求新能源技术，包含：太阳能，生物能，处理能源发展技术瓶颈。

外骨骼机器人控制模型能够分为：感知层，控制层，决议层。

控制系统需要确保外骨骼能快速准确响应人体各种动作，还要考虑外骨骼与不一样操作者之间默契，即需要有一定学习能力，以适应不一样操作者运动特点。二、外骨骼机器人关键技术2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第7页8

电机驱动气压驱动定义：以液体为工作介质进行能量传递和控制传动方式。优点：惯性小，结构简单，可靠性高，工作稳定；缺点：受压液体轻易泄露，工作噪声较大，能源使用效率低，传动速度低；代表：美国伯克利分校研制主力机械服BLEEX系列定义：利用电力设备并调整电参数来传递动力和进行控制传动方式。优点：技术成熟，结构简单，无污染，信号传递快速且易于实现自动化；缺点：动态平衡特征差，质量大，惯性大，换向慢；代表：日本驻波大学外骨骼机器人HAL系列。定义：以压缩空气为工作介质进行能量传递和控制传动方式。优点：结构简单，无污染，阻力损失小，成本低等；缺点：气动装置传动速度稳定性较差，信号传递速度慢，控制性较差，不适合用于大功率系统；二、外骨骼机器人关键技术液压驱动2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第8页sEMG传感器光电编码器力传感器外骨骼机器人相关传感器定义：一个经过光电转换将输出轴上机械几何位移转换为脉冲或者数字量传感器结构：由光栅盘和光电检测装置组成定义：将力信号转变为电信号输出电子元件结构：由力敏元件、转换元件和电路组成分类：弹性敏感元件

应变式力传感器

压阻式力传感器

压电式力传感器

sEMG：表面肌电信号，是指：神经肌肉系统在进行随意性或非随意性活动时生物电改变，经皮肤表面电极引导、放大、显示并统计下神经肌肉系统活动时生物电信号特点：信号形态含有较大随机性和不稳定性；优点：无创性、实时性、多靶点测量肌电信号可分为：针电极肌电信号（NEMG）和表面肌电信号（sEMG）。NEMG以针电极为引导电极，将其插入肌肉内部对动作电位进行直接测量；sEMG以表面电极为引导电极，将其安置在皮肤表面拾取肌肉活动电位二、外骨骼机器人关键技术2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第9页表面肌电信号因不一样个体、肌肉而存在差异，但仍含有以下几点共性：

sEMG信号是一个交流电压信号，其幅值与肌力大致成正比关系，肌肉松弛、担心度与sEMG电压幅度之间存在着近似线性关系。

sEMG信号是一个微弱电信号，正常肌肉运动单元电位幅值普通为100μV-2mV，最高不超出5mV，经叠加后肌电信号幅值范围为：2μV-5mV。

sEMG信号是一个低频信号，能量主要集中在10-1000Hz，300Hz以上显著减弱，其中绝大部分频谱集中在50-150Hz之间。

sEMG信号是一个非平稳随机信号，其统计学特征随时间改变而改变，信号由强度和传输方向不一样，在分属不一样运动单元肌纤维上传输多个MUAP在信号拾取区域叠加而成，这使得测量含有一定随机性。sEMG信号

正是因为相同肌群sEMG信号规律性和不一样肌群sEMG信号差异性存在（人体完成不一样动作，肌电信号有所差异，不一样个体执行相同动作，肌电信号相同），才使得利用sEMG传感器作为人机接口来控制外骨骼机器人成为可能。1、sEMG传感器二、外骨骼机器人关键技术2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第10页压电式力传感器弹性敏感元件应变式力传感器压磁式力传感器力传感器压阻效应：半导体材料在某一方向上受到压力作用时，他电阻率会发生显著改变。其灵敏度比金属应变片高50-100倍。优点：1.分辨率高，尺寸小2.横向效应小，滞后和蠕变小3.响应频率高，适合动态测量

由弹性元件、电阻应变片组成用来测量力应变式传感器。优点：1.精度高，测量范围广；2.使用寿命长，性能稳定可靠，输出特征线性度好；3.结构简单，尺寸小，重量轻；4.响应频率高，适合测量动态过程

压电效应：一些物质受到外力作用，几何尺寸发生改变，物体表面产生电荷形成电场，当外力消失时，材料重新恢复原状现象。

利用弹性变形进行测量及变换元件，输入量为力（力矩）或者压力，输出应变或者位移，再由传感器将其转换为电信号输出。如：弹簧、波纹管压阻式力传感器

压磁效应：一些铁磁材料在受到外力作用后，其内部产生应力，引发铁磁材料磁导率改变现象。特点：输出信号大，抗干扰性好，过载能力强2、力传感器二、外骨骼机器人关键技术2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第11页

依据光电编码器刻度方法及信号输出形式，可将其分为：增量式，绝对式和混合式三种类型。增量式：输出3路方波脉冲，A、B、Z相，A,B两组脉冲相位差90°，用于判断方向，Z相位为每转一个脉冲，用于基准点定位。优点：原理结构简单，机械寿命长，抗干扰能力强，可靠性高，适合长距离传输缺点：无法输出轴转动绝对位置信息绝对式：利用二进制方式进行转换，直接输出数字量，圆形码盘上有透光、不透光扇形区间组成，依据读出编码，检测绝对位置。优点：可直接读出角度坐标绝对值，没有累积误差，电源切除后，位置信息不会丢失缺点：分辨率由二进制位数来决定，N位二进制分辨率编码器，其码盘必有N条码道。3、光电编码器二、外骨骼机器人关键技术2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第12页人体外骨骼机器人二、外骨骼机器人关键技术2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第13页14ArmeoPowerArmeoSpringArmeoBoom

理论基础：研究表明：许多中风、脑外伤及其它神经系统疾病或骨骼损伤患者，其脑部仍含有残余神经肌肉支配能力，并能够经过密集、重复带有任务动作使其进行重新结构。四、可穿戴式康复外骨骼机器人2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第14页15四、可穿戴式康复外骨骼机器人上肢5自由度为：(1)肩关节侧展自由度；(2)肩关节屈伸自由度；肘关节屈伸自由度；前臂旋转自由度；手腕屈伸自由度。下肢外骨骼4个自由度为：髋关节侧展自由度；髋关节屈伸自由度；膝关节屈伸自由度；踝关节屈伸自由度。2023/8/29外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第15页四、可穿戴式康复外骨骼机器人外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第16页四、可穿戴式康复外骨骼机器人外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第17页四、可穿戴式康复外骨骼机器人因为不可能对不一样患者一一进行准确建模，我们采取了类似于人机学习观察器自适应控制方法来让机器学习出系统应有动力学模型前馈。这种控制方法使得我们能够让机器人克服运动过程中阻尼来引导患者完成所需要运动动作，而且依据患者完成情况逐步降低出力，最终直到外骨骼完全不用出力、完全经过患者本身肌肉发力来完成所期望运动动作。同时，这种算法也能够同时识别出机器人运动模型，在运动过程中进行前馈赔偿。外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第18页四、可穿戴式康复外骨骼机器人图6上图为运动期望轨迹qr、实际轨迹q和误差e。下列图为运动过程中肘关节电机电流。由图6可看出，伴随运动进行，肘关节运动误差越来越小，表示算法逐步学习出了系统运动模型，同时电流维持平稳，没有发散。图7为一组腕关节运动轨迹图，因为关节本身受力较小，所以初始误差较肘关节更小。算法一样逐步学习出了系统运动模型，电流维持平稳，没有发散。外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第19页五、外骨骼机器人发展趋势现有下肢外骨骼机器人还存在以下几方面问题：20体积较大，动作拙笨环境适应性和运动灵活性较差

与操作者预期动作不吻合不能灵活适应不一样操作者

移动范围和工作时间受限寻求新能源技术自适应能力较弱自学习能力不够

质量问题柔性安全噪音问题

舒适度问题外骨骼康复机器人研究现状和关键技术专家讲座第20页1、下肢外骨骼机器人应含有较强学习能力人类行走存在着“个性化”差