外骨骼機器人課件

外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)部門:機器人研究室2022/11/81Armeo上肢外骨骼機器人4外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀31相關(guān)傳感器332外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)主要內(nèi)容2022/11/82關(guān)鍵技術(shù)外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀1相關(guān)傳感器Armeo機器人定義

外骨骼機器人：是一種結(jié)合了人的智能、機械動力裝置和機械能量的人機結(jié)合的可穿戴設(shè)備。按結(jié)構(gòu)可將外骨骼機器人分為上肢、下肢、全身及各類關(guān)節(jié)機器人。應(yīng)用2022/11/83關(guān)鍵技術(shù)外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀1相關(guān)傳感器Armeo機器人

被謀殺的教授步行輔助設(shè)備，由美國弗吉尼亞理工大學(xué)的凱文·格拉納塔教授研制的下肢外骨骼機器人，能夠幫助少肌癥患者恢復(fù)身體機能，少肌癥可導(dǎo)致人體的骨骼肌流失。

由美國國防高級研究計劃局(DARPA)設(shè)計的伯克利·布里克外骨骼機器人（BLEEX），可以幫助士兵，營救人員以及其他應(yīng)急人員輕松攜帶各種設(shè)備。2022/11/85關(guān)鍵技術(shù)外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀1相關(guān)傳感器Armeo機器人

日本賽事達因研制的HAL-5，高1.6m，23kg，一次工作時間為2.5h，HAL可以探測到皮膚表面非常微弱的信號，動力裝置根據(jù)接收到的裝置控制肌肉運動。

機甲外骨骼機器人，高約5.48m，由美國阿拉斯加州工程師洛斯·歐文斯發(fā)明，由內(nèi)部的駕駛員操控行走。

腦控外骨骼系統(tǒng)：由美國密歇根州大學(xué)神經(jīng)力學(xué)實驗室設(shè)計，可實現(xiàn)骨骼、肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)之間的交互作用，所有骨骼和肌肉均有大腦直接控制。2022/11/86關(guān)鍵技術(shù)外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀1相關(guān)傳感器Armeo機器人

松下充氣式外骨骼，用于幫助偏癱患者，肘部和腕部裝有傳感器，允許手臂控制8塊人造肌肉，人造肌肉內(nèi)裝有壓縮空氣，用于擠壓癱瘓的部位。

Springwalker外骨骼：能夠像動物一樣奔跑，跳躍。借助其奔跑速度可達56km/h，跳躍高度可達約1.52m。

引力平衡腿部矯形器：由美國特拉華州大學(xué)研制，幫助佩戴者在不受引力的影響下走路，借助這種設(shè)備，輕偏癱患者可以重獲力量和控制能力，并可通過調(diào)節(jié)，實現(xiàn)腿部移動和引力之間的平衡。2022/11/87研究現(xiàn)狀外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)2相關(guān)傳感器Armeo機器人

機械結(jié)構(gòu)要全面的分析人體各關(guān)節(jié)的運動范圍和運動特點，設(shè)計時，應(yīng)該考慮：（1）盡量遵循擬人原則，外骨骼各肢體關(guān)節(jié)等機械形狀和尺寸參照人體（GB1000-88）；（2）外骨骼各關(guān)節(jié)如：膝、髖、踝關(guān)節(jié)，自由度要考慮到人體相應(yīng)關(guān)節(jié)，確保其運動形式與人的運動形式相同，且各關(guān)節(jié)要有一定的運動范圍，使其既不限制人體運動又確保動作的安全；（GB24436-2009）（3）能在不同的環(huán)境使用，如：樓梯，草地等。

體積小，質(zhì)量輕，并且能夠提供足夠大的力矩或扭矩，同時要具有良好的散熱性能。目前常用的設(shè)備驅(qū)動主要有：液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動。

目前外骨骼機器人主要以蓄電池供電，移動范圍受到蓄電池的容量和效率的限制,如何提高蓄電池單位體積的容量和外骨骼的使用效率是關(guān)鍵問題。

未來可以尋求新能源技術(shù)，包括：太陽能，生物能，解決能源發(fā)展的技術(shù)瓶頸。外骨骼機器人的控制模型可以分為：感知層，控制層，決策層。

控制系統(tǒng)需要確保外骨骼能快速準(zhǔn)確的響應(yīng)人體的各種動作，還要考慮外骨骼與不同操作者之間的默契，即需要有一定的學(xué)習(xí)能力，以適應(yīng)不同操作者的運動特點。2022/11/88人體外骨骼機器人研究現(xiàn)狀外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)2相關(guān)傳感器Aremo機器人控制系統(tǒng)2存在的問題

驅(qū)動系統(tǒng)外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)2022/11/810存在的問題2控制系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)體積較大，動作笨拙環(huán)境的適應(yīng)性和運動的靈活性較差與操作者的預(yù)期動作不吻合不能靈活適應(yīng)不同的操作者移動范圍和工作時間受限尋求新能源技術(shù)自適應(yīng)能力較弱自學(xué)習(xí)能力不夠質(zhì)量問題柔性安全噪音問題

舒適度問題2022/11/812外骨骼機器人相關(guān)傳感器sEMG傳感器3力傳感器

光電編碼器表面肌電信號因不同的個體、肌肉而存在差異，但仍具有以下幾點共性：sEMG信號是一種交流電壓信號，其幅值與肌力大致成正比關(guān)系，肌肉松弛、緊張度與sEMG電壓幅度之間存在著近似線性關(guān)系。

sEMG信號是一種微弱的電信號，正常肌肉運動單元電位幅值一般為100μV-2mV，最高不超過5mV，經(jīng)疊加后的肌電信號幅值范圍為：2μV-5mV。sEMG信號是一種低頻信號，能量主要集中在10-1000Hz，300Hz以上顯著減弱，其中絕大部分頻譜集中在50-150Hz之間。sEMG信號是一種非平穩(wěn)隨機信號，其統(tǒng)計學(xué)特性隨時間的變化而變化，信號由強度和傳播方向不同，在分屬不同運動單元的肌纖維上傳播的多個MUAP在信號拾取區(qū)域疊加而成的，這使得測量具有一定的隨機性。sEMG信號正是由于相同肌群sEMG信號規(guī)律性和不同肌群sEMG信號差異性的存在（人體完成不同動作，肌電信號有所差別，不同個體執(zhí)行相同動作，肌電信號相似），才使得利用sEMG傳感器作為人機接口來控制外骨骼機器人成為可能。2022/11/814壓電式力傳感器彈性敏感元件應(yīng)變式力傳感器壓磁式力傳感器力傳感器壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料在某一方向上受到壓力作用時，他的電阻率會發(fā)生顯著變化。其靈敏度比金屬應(yīng)變片高50-100倍。優(yōu)點：1.分辨率高，尺寸小2.橫向效應(yīng)小，滯后和蠕變小3.響應(yīng)頻率高，適合動態(tài)測量缺點：壓阻式對溫度變化比較敏感，使用時必須有溫度補償。由彈性元件、電阻應(yīng)變片組成用來測量力的應(yīng)變式傳感器。優(yōu)點：1.精度高，測量范圍廣；2.使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠，輸出特性的線性度好；3.結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕；4.響應(yīng)頻率高，適合測量動態(tài)過程；5.環(huán)境適應(yīng)能力強，可在高溫、高壓、振動、核輻射及化學(xué)腐蝕很嚴(yán)重的惡劣條件下工作。壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)受到外力作用，幾何尺寸發(fā)生變化，物體表面產(chǎn)生電荷形成電場，當(dāng)外力消失時，材料重新恢復(fù)原狀的現(xiàn)象。優(yōu)點：體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單；適合動態(tài)測量缺點：不適合測量低頻，更不適合測量靜態(tài)量。利用彈性變形進行測量及變換的元件，輸入量為力（力矩）或者壓力，輸出應(yīng)變或者位移，再由傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。如：彈簧、波紋管、膜盒、壓阻式力傳感器外骨骼機器人相關(guān)傳感器力傳感器3sEMG傳感器

光電編碼器壓磁效應(yīng)：一些鐵磁材料在受到外力作用后，其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，引起鐵磁材料磁導(dǎo)率變化的現(xiàn)象。特點：輸出信號大，抗干擾性好，過載能力強，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟適用，可在惡劣環(huán)境下工作2022/11/815外骨骼機器人相關(guān)傳感器光電編碼器3sEMG傳感器

力傳感器

根據(jù)光電編碼器的刻度方法及信號輸出形式，可將其分為：增量式，絕對式和混合式三種類型。增量式：輸出3路方波脈沖，A、B、Z相，A,B兩組脈沖相位差90°，用于判斷方向，Z相位為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。優(yōu)點：原理構(gòu)造簡單，機械壽命長，抗干擾能力強，可靠性高，適合長距離傳輸缺點：無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息絕對式：利用二進制方式進行轉(zhuǎn)換，直接輸出數(shù)字量，圓形碼盤上有透光、不透光的的扇形區(qū)間組成，根據(jù)讀出的編碼，檢測絕對位置。優(yōu)點：可直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不會丟失缺點：分辨率由二進制的位數(shù)來決定，N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必有N條碼道。2022/11/816研究現(xiàn)狀A(yù)rmeo上肢外骨骼機器人4關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)傳感器ArmeoPowerArmeoSpringArmeoBoom

理論基礎(chǔ)：研究表明：許多中風(fēng)、腦外傷及其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病或骨骼損傷患者，其腦部仍具有殘余的神經(jīng)肌肉支配能力，并可以通過密集的、重復(fù)的帶有任務(wù)的動作使其進行重新構(gòu)造。2022/11/817外骨骼機器人相關(guān)傳感器光電編碼器3sEMG傳感器

力傳感器研究現(xiàn)狀A(yù)rmeo上肢外骨骼機器人4關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)傳感器2022/11/818外骨骼機器人相關(guān)傳感器光電編碼器3sEMG傳感器

力傳感器研究現(xiàn)狀A(yù)rmeo上肢外骨骼機器人4關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)傳感器2022/11/820研究現(xiàn)狀A(yù)rmeo上肢外骨骼機器人4關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)傳感器ArmeoPower治療效率的提高減少所需醫(yī)護人員的數(shù)量，優(yōu)化病人護理工作。早期的康復(fù)治療大量的重復(fù)運動，是重獲運動技能最重要的一點大范圍的三維運動空間6自由度的多關(guān)節(jié)訓(xùn)練系統(tǒng)，讓病人在恢復(fù)過程中能做對其非常重要的恢復(fù)訓(xùn)練。強大的成績反饋功能患者運動過程中可借助各種激勵游戲的實時反饋，幫助他們提高運動神經(jīng)的能力。給予需要的支持識別患者無法完成某種運動后，給予其需要的支持，保證患者進行恢復(fù)訓(xùn)練的積極性。2022/11/821研究現(xiàn)狀A(yù)rmeo上肢外骨骼機器人4關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)傳感器ArmeoBoom后期的康復(fù)治療主要應(yīng)用在門診或家庭中設(shè)備重量輕，緊湊，易運輸，使用快速簡單提供可調(diào)節(jié)的手臂重量的支持電子升降桿可被調(diào)節(jié)至合適的高度提供大范圍的三維運動空間ArmeoSoftware強大的績效反饋：面向目標(biāo)的賽局制游戲環(huán)境挑戰(zhàn)性、多樣化的游戲使得患者長期保持主動性涵蓋了所有患者從嚴(yán)重到恢復(fù)過程中的治療數(shù)據(jù)恢復(fù)練習(xí)可以輕松滿足每個病人的需要快速、友好的工作流程：Armeo系列產(chǎn)品均使用相同的軟件流程，節(jié)省對工作人員和患者的培訓(xùn)時間直觀、易操作的工作流程可以為患者獲取最多有效的治療時間評估、報告工具：多方面的綜合評估移動性：測量病人在3D空間中的移動范圍空間度：在每個自由度上測量病人主動和被動的移動范圍目標(biāo)位置：測量運動的精度力：在一個靜態(tài)的位置產(chǎn)生相同的力量2022/11/823外骨骼機器人相關(guān)傳感器光電編碼器3sEMG傳感器

力傳感器研究現(xiàn)狀A(yù)rmeo上肢外骨骼機器人4關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)傳感器相關(guān)專利Patents專利名稱Deviceandprocessforadjustingtheheightofthereliefforceonaweight高度可調(diào)節(jié)，帶有重力補償功能的儀器Methodto

controlarobotdeviceandrobotdevice控制機器人設(shè)備的方法Deviceforadjustingtheprestressofanelasticmeansaroundapredeterminedtensionorposition根據(jù)設(shè)定的拉力或位置調(diào)節(jié)彈性裝置應(yīng)力的設(shè)備Apparatusforlocomotiontherapy運動治療儀Methodforcontrollingacurrent-regulatedmotor控制整流電機的方法Training