《外骨骼機(jī)器人發(fā)展》演示PPT

1、助行外骨骼機(jī)器人助行外骨骼機(jī)器人 1 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 助行外骨骼機(jī)器人簡介助行外骨骼機(jī)器人簡介 發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì) 結(jié)論結(jié)論 2 外骨骼機(jī)器人外骨骼機(jī)器人 外骨骼機(jī)器人外骨骼機(jī)器人： 外骨骼機(jī)器人是一種人工外骨骼，也是一種機(jī)械機(jī)構(gòu)，能穿戴在人 體外部，可以給人提供保護(hù)、額外的動(dòng)力和能力，增強(qiáng)人體機(jī)能，使得 操作者能輕松地完成很多艱難的活動(dòng)和任務(wù)。 3 助行外骨骼機(jī)器人助行外骨骼機(jī)器人 助行外骨骼機(jī)器人助行外骨骼機(jī)器人是下肢外骨骼機(jī)器人，屬于外骨骼機(jī) 器人的一種，也是應(yīng)用最為廣泛的一種。 目前的助行外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的研制和應(yīng)用可以分為民 用和軍用兩大類

2、。 民用方面的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)主要用于輔助殘疾人、老 年人和喪失部分運(yùn)動(dòng)能力的病人行走；軍用方面的外骨骼機(jī) 器人系統(tǒng)主要用來增強(qiáng)普通士兵的能力，可以讓普通士兵成 為在負(fù)重較大的情況下依舊可以跳過較高物體和快速奔跑的 超級(jí)士兵。 4 助行外骨骼機(jī)器人發(fā)展應(yīng)用助行外骨骼機(jī)器人發(fā)展應(yīng)用 外骨骼下肢助行機(jī)器人的研究始于 20世紀(jì) 60 年代末期，主要在歐美等一些 發(fā)達(dá)國家展開，最初的外骨骼助力機(jī)器人 分別在兩個(gè)地點(diǎn)幾乎同時(shí)產(chǎn)生，分別是美 國和南斯拉夫，美國研究這技術(shù)的最初目 的是增強(qiáng)人的能力, 往往是用于軍事目的, 而前南斯拉夫的目的是用來輔助殘障人。 上述兩個(gè)項(xiàng)目都以失敗告終，下肢外 骨骼機(jī)器人的研

3、究在其后經(jīng)過一段時(shí)間陷 入沉寂。 但到世紀(jì)末, 下肢外骨骼機(jī)器人 又重新得到世界各國的關(guān)注,世界上很多 國家都積極地投入到研究中。下面分別介 紹一些在下肢外骨骼方面比較成熟的研究 成果。 “哈迪曼”由 30 個(gè)水壓力動(dòng)力源 和伺服隨動(dòng)鉸鏈組成，體積巨大，重 約 680 公斤，具有 30 個(gè)自由度，為 上肢和下肢提供助力幫助，控制系統(tǒng) 采用主-從控制模式，最終能夠?qū)⑺闹?的力量放大 25 倍。 5 1978 年，美國麻省理工學(xué)院研究出“被動(dòng)式 外骨骼助力機(jī)器人”。MIT的外骨骼下肢助力機(jī)器 人能夠在負(fù)載 36公斤的情況下行走 1m/s，其中 80%的負(fù)重被傳遞到地面上。它的關(guān)節(jié)自由度配置 包括髖

4、關(guān)節(jié)有 3 個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)自由度。 穿戴者與機(jī)器人在肩膀、腕關(guān)節(jié)、大腿和腳部連接， 機(jī)器人總重量是 11.7Kg。 驅(qū)動(dòng)方式不采用電力驅(qū)動(dòng)，只利用彈簧儲(chǔ)能和 變阻尼器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。髖關(guān)節(jié)伸/屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸 運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧釋放能量，屈運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧儲(chǔ)存能量，膝 關(guān)節(jié)利用磁流變阻尼器，踝關(guān)節(jié)利用碳纖維彈簧緩 沖腳后跟對(duì)地面的沖力。傳感器系統(tǒng)是由安裝在外 骨骼下肢助力機(jī)器人外殼的應(yīng)變橋式應(yīng)變片傳感器 和安裝在膝關(guān)節(jié)的電位計(jì)組成。 6 2004年，加州大學(xué)伯克利分校的下肢外 骨骼機(jī)器人BLEEX。由一個(gè)用于負(fù)重的背包式 外架、兩條動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的仿生金屬腿及相應(yīng)動(dòng) 力設(shè)備組成, 使用背包中的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和

5、箱式微型空速傳感儀作為液壓泵的能量來源, 以全面增強(qiáng)人體機(jī)能。 BLEEX的每條腿具有個(gè)7自由度(髖關(guān)節(jié)3 個(gè), 膝關(guān)節(jié)1個(gè),踝關(guān)節(jié)3個(gè)）,在該裝置中總 共有40多個(gè)傳感器以及液壓驅(qū)動(dòng)器, 它們組 成了一個(gè)類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)。BLEEX 的負(fù)重量能達(dá)到75kg,并以0.9m/s的速度行走, 在沒有負(fù)重的情況下,能以的1.3m/s速度行走。 7 目前,洛克希德馬丁公司和伯克利 分校共同研制了新一代外骨骼機(jī)器人HULC, 這款新型外骨骼繼承了BLEEX的優(yōu)點(diǎn), 對(duì) 一些液壓傳動(dòng)裝置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì), 不但能夠直立行進(jìn), 還可完成下蹲和甸甸 等多種相對(duì)復(fù)雜的動(dòng)作, 穿上后能夠明顯 降低人體

6、對(duì)氧氣的消耗量。 在一次充滿電后, 可保證穿著者以 4.8km/h的速度背負(fù)90kg重物持續(xù)行進(jìn)一 個(gè)小時(shí)。而穿著HULC的沖刺速度則可達(dá)到 16km/h。HULC穿戴起來也非常方便, 士兵 只需將腿伸進(jìn)靴子下方的足床, 然后用皮 帶綁住腿部、腰部以及肩部即可,完全脫 下需30秒的時(shí)間. 8 美國薩克斯公司完成的第一款外骨骼機(jī)器人 是WEAR。2008年4月, 成功研制出外骨骼機(jī)器人XOS, 如圖所示。外骨骼機(jī)器人XOS代表了外骨骼領(lǐng)域最 尖端的技術(shù)。它利用附在身體上的傳感器, 可以毫 不延遲地反應(yīng)身體的動(dòng)作, 輸出強(qiáng)大的力量。當(dāng)穿 上XOS時(shí), 能舉起200磅的重物就好像舉20磅的, 可 以

7、連續(xù)舉50一500次。目前XOS有一個(gè)重大缺陷, 就 是利用自帶的電池只能使用40分鐘。 WEAR XOS外骨骼機(jī)器人外骨骼機(jī)器人 9 2005年，日本筑波大學(xué)研制出了世 界上第一種商業(yè)全身式外骨骼助行機(jī)器 人HAL，它的功能主要是幫助老年人和殘 疾人走路，爬樓梯及搬東西等。 這款機(jī)器人是全身式的外骨骼助力 機(jī)器人，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處通過鉸鏈連 接并只有1個(gè)自由度，利用諧波直流電機(jī) 驅(qū)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)是被動(dòng)的。 HAL系列的助行外骨骼機(jī)器人是通過 分析人體表皮肌電信號(hào)進(jìn)行控制的。它 擁有兩個(gè)控制系統(tǒng)：一個(gè)是以肌電信號(hào) 為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，一個(gè)是以步行模式為基 礎(chǔ)的系統(tǒng)。通過分析這兩個(gè)系統(tǒng)來判斷 使用者的運(yùn)動(dòng)

8、意圖。 10 2000年，神奈川理工學(xué)院研 制的全身式外骨骼機(jī)器人主要用 于護(hù)士搬運(yùn)和移動(dòng)病人等工作， 該機(jī)器人可以輕松的搬運(yùn)85kg的 病人。機(jī)器人是由肩部，手臂， 后背，腕部和腿部機(jī)械單元組成 的。它的驅(qū)動(dòng)器采用設(shè)置在肩部、 腕部和腿部微型旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。 傳感器系統(tǒng)由具有稱重功能 的肌肉傳感器?？刂品椒ú捎弥?從控制，各機(jī)械單元一旦發(fā)生運(yùn) 動(dòng)，這運(yùn)動(dòng)將被肌肉傳感器檢測(cè) 到，力度的不同由稱重傳感器的 觸頭檢測(cè)到，并由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū) 動(dòng)關(guān)節(jié)跟隨運(yùn)動(dòng)。 11 以色列埃爾格醫(yī)學(xué)技術(shù)公司研發(fā)外骨骼助行機(jī)器人Rewalk， 總重 18Kg，運(yùn)動(dòng)速度是 1Km/h，能夠連續(xù)工作 8 小時(shí)。它可 以完成行

9、走、站立、坐下、爬樓梯，上坡和下坡等動(dòng)作。 本田電機(jī)公司2008年研制了一款步行助力機(jī)器人“Walking assist”總重2Kg的助行機(jī)器人有兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠連續(xù)工 作2小時(shí)，步行速度達(dá)到4.5km/h，它可以幫助單腿受到損傷的 穿戴者。 Rewalk Walking assist 12 韓國西江大學(xué)研制的外骨骼助 行機(jī)器人。該外骨骼結(jié)構(gòu)上的顯著 特點(diǎn)是整個(gè)裝置由外骨骼和手推車 兩個(gè)部分組成。所有的驅(qū)動(dòng)元件,包 括電池、電機(jī)及控制器等較重的周 邊設(shè)備都布置在手推車中。 他們采用類似于機(jī)電信號(hào)的肌 纖維膨脹信號(hào), 利用綁在大腿和小腿 上的氣囊內(nèi)的氣體的壓力變化來測(cè) 得, 而在人腿自由擺動(dòng),

10、 肌纖維不膨 脹時(shí), 則利用關(guān)節(jié)處的角度傳感器的 信號(hào)來觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作。 13 美國芝加哥康復(fù)研究所的外骨骼機(jī)器人Lokomat。它主 要由步態(tài)矯形器、先進(jìn)的體重支援系統(tǒng)和跑步機(jī)組成。 通過直接安裝在動(dòng)力裝置上的力轉(zhuǎn)換器增加了測(cè)量患者 活動(dòng)能力的功能, 而且可以使步態(tài)援助水平得到調(diào)整, 使導(dǎo)引 力從零到最大范圍進(jìn)行調(diào)節(jié), 以適應(yīng)不同使用者腿的鍛煉。 14 國內(nèi)對(duì)外骨骼下肢助力機(jī)器人的研究開始與 20 世紀(jì)初，目 前外骨骼下肢助行機(jī)器人的研究正處于起步階段。 中科大智能所研究的可穿戴型助行機(jī)器人，具有10個(gè)自由度， 系統(tǒng)利用表皮肌電信號(hào)分析穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖。 浙江大學(xué)研制出了多自由度下肢外骨骼

11、助行機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)器 使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器為圓形氣缸。它可以將足 底壓力信號(hào)和氣缸的位移控制信號(hào)直接關(guān)聯(lián)起來，能夠較好的判 斷穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖。 15 上海大學(xué)研制一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，由外骨骼助行器， 減重機(jī)構(gòu)和跑步機(jī)構(gòu)成。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)各一個(gè)自由 度，共六個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)在矢狀面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過反復(fù)的訓(xùn)練來幫 助患者逐步恢復(fù)行走能力 16 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 1.1.助行助行外骨骼機(jī)器人的步態(tài)分析與步態(tài)穩(wěn)定性控制外骨骼機(jī)器人的步態(tài)分析與步態(tài)穩(wěn)定性控制 步態(tài)分析是人體下肢外骨骼設(shè)計(jì)的重要依據(jù)和工具。由 于人體下肢外骨骼跟隨人體下肢一起運(yùn)動(dòng),輔助操作者承載,首 先考慮的就是下肢外骨

12、骼應(yīng)與操作者具有協(xié)調(diào)一致的動(dòng)作,與 人體下肢具有相同的自由度和運(yùn)動(dòng)形式。因此,分析人體下肢 自由度、研究人體步態(tài)是設(shè)計(jì)下肢外骨骼實(shí)現(xiàn)行走的基礎(chǔ)。 2.2.助行助行外骨骼機(jī)器人多傳感器的選擇與信息融合外骨骼機(jī)器人多傳感器的選擇與信息融合 傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。下肢外骨骼機(jī)器人 的傳感器就如同人的神經(jīng)一樣重要, 通過他們感知獲取操作者 以及外骨骼的各種運(yùn)動(dòng)及數(shù)據(jù), 才使得整個(gè)系統(tǒng)能夠按照預(yù)期 的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。 17 3.3.助行助行外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng) 與兩足行走機(jī)器人的控制不同, 下肢外骨骼機(jī)器人不僅要 考慮對(duì)機(jī)構(gòu)本身的控制, 還要在控制策略上考慮與使用者的相 適應(yīng)

13、問題。下肢外骨骼機(jī)器人必須能夠同步跟隨使用者的動(dòng)作, 能夠加強(qiáng)使用者的力量并模仿人類的各種動(dòng)作, 包括戰(zhàn)場(chǎng)上的 前后左右移動(dòng)躲閃, 故控制算法比較復(fù)雜。 4.4.助行助行外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式與能源外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式與能源 驅(qū)動(dòng)方式的合理選擇對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和性能也 有很大的影響。下肢外骨骼通常采用的驅(qū)動(dòng)方式有三種電機(jī)驅(qū) 動(dòng), 液壓驅(qū)動(dòng), 氣壓驅(qū)動(dòng)。三種驅(qū)動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)需 要根據(jù)實(shí)際分析選擇。 18 發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)有的下肢外骨骼機(jī)器人還存在以下幾方面的問題體積大, 重量重, 噪音大，對(duì)地面的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)的靈活性還需進(jìn)一步 提高，與使用者的步態(tài)還不完全協(xié)調(diào)，能源的重量較重而且不 耐用?；谝陨蠁栴}和下肢外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用背景, 其未來 發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾個(gè)趨勢(shì)： 1.1.智能化智能化 2.2.人機(jī)耦合人機(jī)耦合 3.3.模塊化模塊化 4.4.微型化微型化 19 結(jié)論結(jié)論 助行助行外骨骼機(jī)器人作為一種新興的技術(shù)，在民用