外骨骼機(jī)器人課件

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

外骨骼機(jī)器人：是一種結(jié)合了人的智能、機(jī)械動力裝置和機(jī)械能量的人機(jī)結(jié)合的可穿戴設(shè)備。按結(jié)構(gòu)可將外骨骼機(jī)器人分為上肢、下肢、全身及各類關(guān)節(jié)機(jī)器人。應(yīng)用2022/11/83關(guān)鍵技術(shù)外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀1相關(guān)傳感器Armeo機(jī)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(jī)器人，能夠幫助少肌癥患者恢復(fù)身體機(jī)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(jī)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(jī)器人的研究現(xiàn)狀1相關(guān)傳感器Armeo機(jī)器人

日本賽事達(dá)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(yùn)動。

機(jī)甲外骨骼機(jī)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(jī)器人的研究現(xiàn)狀1相關(guān)傳感器Armeo機(jī)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(dá)56km/h，跳躍高度可達(dá)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(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)2相關(guān)傳感器Armeo機(jī)器人

機(jī)械結(jié)構(gòu)要全面的分析人體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍和運(yùn)動特點(diǎn)，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(jī)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(yùn)動形式與人的運(yùn)動形式相同，且各關(guān)節(jié)要有一定的運(yùn)動范圍，使其既不限制人體運(yùn)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(jī)驅(qū)動。

目前外骨骼機(jī)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(jī)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(yùn)動特點(diǎn)。2022/11/88人體外骨骼機(jī)器人研究現(xiàn)狀外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)2相關(guān)傳感器Aremo機(jī)器人控制系統(tǒng)2存在的問題

驅(qū)動系統(tǒng)外骨骼機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)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(diǎn)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(yùn)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(jī)信號，其統(tǒng)計學(xué)特性隨時間的變化而變化，信號由強(qiáng)度和傳播方向不同，在分屬不同運(yùn)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(jī)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(jī)接口來控制外骨骼機(jī)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(diǎn)：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(diǎn)：壓阻式對溫度變化比較敏感，使用時必須有溫度補(bǔ)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(diǎn)：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(qiáng)，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(diǎn)：體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單；適合動態(tài)測量缺點(diǎn)：不適合測量低頻，更不適合測量靜態(tài)量。利用彈性變形進(jìn)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(jī)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(diǎn)：輸出信號大，抗干擾性好，過載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)適用，可在惡劣環(huán)境下工作2022/11/815外骨骼機(jī)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(diǎn)定位。優(yōu)點(diǎn)：原理構(gòu)造簡單，機(jī)械壽命長，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合長距離傳輸缺點(diǎn)：無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息絕對式：利用二進(jìn)制方式進(jìn)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(diǎn)：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(diǎn)：分辨率由二進(jìn)制的位數(shù)來決定，N位二進(jìn)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(jī)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(jìn)行重新構(gòu)造。2022/11/817外骨骼機(jī)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(jī)器人4關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)傳感器2022/11/818外骨骼機(jī)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(jī)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(jī)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(hù)人員的數(shù)量，優(yōu)化病人護(hù)理工作。早期的康復(fù)治療大量的重復(fù)運(yùn)動，是重獲運(yùn)動技能最重要的一點(diǎn)大范圍的三維運(yùn)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(qiáng)大的成績反饋功能患者運(yùn)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(yùn)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(yùn)動后，給予其需要的支持，保證患者進(jìn)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(jī)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(yùn)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(yùn)動空間ArmeoSoftware強(qiáng)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(yùn)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(jī)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(jī)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(bǔ)償功能的儀器Methodto

controlarobotdeviceandrobotdevice控制機(jī)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(yùn)動治療儀Methodforcontrollingacurrent-regulatedmotor控制整流電機(jī)的方法Training