外骨骼康復機器人研究現(xiàn)狀及關鍵技術

外骨骼康復機器人研究現(xiàn)狀及關鍵技術2023/10/9可穿戴式康復外骨骼機器人3外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀312外骨骼機器人的關鍵技術主要內容外骨骼機器人的發(fā)展趁勢42023/10/92定義外骨骼機器人：是一種結合了人的智能、機械動力裝置和機械能量的人機結合的可穿戴設備。按構造可將外骨骼機器人分為上肢、下肢、全身及各類關節(jié)機器人。應用一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2023/10/9日本Tmsuk企業(yè)開發(fā)的T52Enryu，重量近5噸，身高達3米，可用于任何災害的救援工作中，能幫助工作人員清理路上的碎片，能夠舉起重量近1噸的重物，機械臂則能夠完畢全部類型的工作。Stelarc外骨骼是一款肌肉機器人，外形與蜘蛛人類似，長有6條腿，直徑達成5米。它是一種混合人機，充氣和放氣之后便可膨脹和收縮，與其他外骨骼相比具有更高的靈活性。使用時，操作人員需站在中間，控制機器朝著面部方向移動。Stelarc外骨骼由流體肌肉傳動裝置驅動，裝有大量傳感器。

一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2023/10/9被謀殺的教授步行輔助設備，由美國弗吉尼亞理工大學的凱文·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身體機能，少肌癥可造成人體的骨骼肌流失,他研制的步行輔助外骨骼卻仍在幫助著諸多患者。由美國國防高級研究計劃局(DARPA)設計的伯克利·布里克外骨骼機器人（BLEEX），能夠幫助士兵，營救人員以及其他應急人員輕松攜帶多種設備。一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2023/10/9日本科技企業(yè)“賽百達因”研制的HAL-5是一款半機器人，它裝有主動控制系統(tǒng)，肌肉經(jīng)過運動神經(jīng)元獲取來自大腦的神經(jīng)信號，進而移動肌與骨骼系統(tǒng)。HAL(混合輔助肢體)能夠探測到皮膚表面非常單薄的信號。動力裝置根據(jù)接受的信號控制肌肉運動。

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神經(jīng)力學試驗室設計，可實現(xiàn)骨骼、肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)之間的交互作用，全部骨骼和肌肉都有大腦直接控制。一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2023/10/9

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，人造肌肉內裝有壓縮空氣，用于擠壓癱瘓的部位。

引力平衡腿部矯形器在設計上用于幫助佩戴者在不受引力影響下走路。因為消除了引力影響，這也就意味著輕偏癱患者在這種矯形器幫助下能夠很輕易行走。借助于這種設備，輕偏癱患者能夠重獲力量和控制能力。能夠進行調整，能夠在腿部移動和引力之間實現(xiàn)一種平衡。一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2023/10/9機械構造要全方面的分析人體各關節(jié)的運動范圍和運動特點，設計時，應該考慮：（1）盡量遵照擬人原則，外骨骼各肢體關節(jié)等機械形狀和尺寸參照人體（GB1000-88）；（2）外骨骼各關節(jié)如：膝、髖、踝關節(jié)，自由度要考慮到人體相應關節(jié)，確保其運動形式與人的運動形式相同，且各關節(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；（GB24436-2023）（3）能在不同的環(huán)境使用，如：樓梯，草地等。體積小，質量輕，而且能夠提供足夠大的力矩或扭矩，同步要具有良好的散熱性能。目前常用的設備驅動主要有：液壓驅動，氣壓驅動和電機驅動。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,怎樣提升蓄電池單位體積的容量和外骨骼的使用效率是關鍵問題。將來能夠謀求新能源技術，涉及：太陽能，生物能，處理能源發(fā)展的技術瓶頸。外骨骼機器人的控制模型能夠分為：感知層，控制層，決策層。控制系統(tǒng)需要確保外骨骼能迅速精確的響應人體的多種動作，還要考慮外骨骼與不同操作者之間的默契，即需要有一定的學習能力，以適應不同操作者的運動特點。二、外骨骼機器人的關鍵技術2023/10/9

電機驅動氣壓驅動定義：以液體為工作介質進行能量傳遞和控制的傳動方式。優(yōu)點：慣性小，構造簡樸，可靠性高，工作穩(wěn)定；缺陷：受壓液體輕易泄露，工作噪聲較大，能源使用效率低，傳動速度低；代表：美國伯克利分校研制的主力機械服BLEEX系列定義：利用電力設備并調整電參數(shù)來傳遞動力和進行控制的傳動方式。優(yōu)點：技術成熟，構造簡樸，無污染，信號傳遞迅速且易于實現(xiàn)自動化；缺陷：動態(tài)平衡特征差，質量大，慣性大，換向慢；代表：日本駐波大學的外骨骼機器人HAL系列。定義：以壓縮空氣為工作介質進行能量傳遞和控制的傳動方式。優(yōu)點：構造簡樸，無污染，阻力損失小，成本低等；缺陷：氣動裝置傳動速度的穩(wěn)定性較差，信號傳遞的速度慢，控制性較差，不合用于大功率系統(tǒng)；二、外骨骼機器人的關鍵技術液壓驅動2023/10/99sEMG傳感器光電編碼器力傳感器外骨骼機器人相關傳感器定義：一種經(jīng)過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移轉換為脈沖或者數(shù)字量的傳感器構造：由光柵盤和光電檢測裝置構成定義：將力信號轉變?yōu)殡娦盘栞敵龅碾娮釉嬙欤河闪γ粼⑥D換元件和電路構成分類：彈性敏感元件應變式力傳感器壓阻式力傳感器壓電式力傳感器

sEMG：表面肌電信號，是指：神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進行隨意性或非隨意性活動時的生物電變化，經(jīng)皮膚表面電極引導、放大、顯示并統(tǒng)計下神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號特點：信號形態(tài)具有較大的隨機性和不穩(wěn)定性；優(yōu)點：無創(chuàng)性、實時性、多靶點測量肌電信號可分為：針電極肌電信號（NEMG）和表面肌電信號（sEMG）。NEMG以針電極為引導電極，將其插入肌肉內部對動作電位進行直接測量；sEMG以表面電極為引導電極，將其安頓在皮膚表面拾取肌肉活動的電位二、外骨骼機器人的關鍵技術2023/10/9表面肌電信號因不同的個體、肌肉而存在差別，但仍具有如下幾點共性：

sEMG信號是一種交流電壓信號，其幅值與肌力大致成正比關系，肌肉松弛、緊張度與sEMG電壓幅度之間存在著近似線性關系。sEMG信號是一種單薄的電信號，正常肌肉運動單元電位幅值一般為100μV-2mV，最高不超出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以上明顯減弱，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)計學特征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種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信號正是因為相同肌群sEMG信號規(guī)律性和不同肌群sEMG信號差別性的存在（人體完畢不同動作，肌電信號有所差別，不同個體執(zhí)行相同動作，肌電信號相同），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。1、sEMG傳感器二、外骨骼機器人的關鍵技術2023/10/9壓電式力傳感器彈性敏感元件應變式力傳感器壓磁式力傳感器力傳感器壓阻效應：半導體材料在某一方向上受到壓力作用時，他的電阻率會發(fā)生明顯變化。其敏捷度比金屬應變片高50-100倍。優(yōu)點：1.辨別率高，尺寸小2.橫向效應小，滯后和蠕變小3.響應頻率高，適合動態(tài)測量由彈性元件、電阻應變片構成用來測量力的應變式傳感器。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，輸出特征的線性度好；3.構造簡樸，尺寸小，重量輕；4.響應頻率高，適合測量動態(tài)過程

壓電效應：某些物質受到外力作用，幾何尺寸發(fā)生變化，物體表面產(chǎn)生電荷形成電場，當外力消失時，材料重新恢復原狀的現(xiàn)象。

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，輸出應變或者位移，再由傳感器將其轉換為電信號輸出。如：彈簧、波紋管壓阻式力傳感器壓磁效應：某些鐵磁材料在受到外力作用后，其內部產(chǎn)生應力，引起鐵磁材料磁導率變化的現(xiàn)象。特點：輸出信號大，抗干擾性好，過載能力強2、力傳感器二、外骨骼機器人的關鍵技術2023/10/9根據(jù)光電編碼器的刻度措施及信號輸出形式，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相位為每轉一種脈沖，用于基準點定位。優(yōu)點：原理構造簡樸，機械壽命長，抗干擾能力強，可靠性高，適合長距離傳播缺陷：無法輸出軸轉動的絕對位置信息絕對式：利用二進制方式進行轉換，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)間構成，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的絕對值，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不會丟失缺陷：辨別率由二進制的位數(shù)來決定，N位二進制辨別率的編碼器，其碼盤必有N條碼道。3、光電編碼器二、外骨骼機器人的關鍵技術2023/10/9人體外骨骼機器人二、外骨骼機器人的關鍵技術2023/10/9ArmeoPowerArmeoSpringArmeoBoom理論基礎：研究表白：許多中風、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，并能夠經(jīng)過密集的、反復的帶有任務的動作使其進行重新構造。四、可穿戴式康復外骨骼機器人2023/10/915四、可穿戴式康復外骨骼機器人上肢5自由度為：(1)肩關節(jié)側展自由度；(2)肩關節(jié)屈伸自由度；肘關節(jié)屈伸自由度；前臂旋轉自由度；手腕屈伸自由度。下肢外骨骼的4個自由度為：髖關節(jié)側展自由度；髖關節(jié)屈伸自由度；膝關節(jié)屈伸自由度；踝關節(jié)屈伸自由度。2023/10/916四、可穿戴式康復外骨骼機器人四、可穿戴式康復外骨骼機器人四、可穿戴式康復外骨骼機器人因為不可能對不同的患者一一進行精確的建模，我們采用了類似于人機學習觀察器的自適應控制措施來讓機器學習出系統(tǒng)應有的動力學模型前饋。這種控制措施使得我們能夠讓機器人克服運動過程中的阻尼來引導患者完畢所需要的運動動作，而且根據(jù)患者完畢情況逐漸降低出力，最終直到外骨骼完全不用出力、完全經(jīng)過患者本身的肌肉發(fā)力來完畢所期望的運動動作。同步，這種算法也能夠同步辨認出機器人的運動模型，在運動的過程中進行前饋補償。四、可穿戴式康復外骨骼機器人圖6上圖為運動的期望軌跡qr、實際軌跡q和誤差e。下圖為運動過程中肘關節(jié)電機的電流。由圖6可看出，伴隨運動的進行，肘關節(jié)的運動誤差越來越小，表達算法逐漸學習出了系統(tǒng)的運動模型，同步電流維持平穩(wěn)，沒有發(fā)散。圖7為一組腕關節(jié)的運動軌跡圖，因為關節(jié)本身受力較小，所以初始誤差較肘關節(jié)更小。算法一樣逐漸學習出了系統(tǒng)的運動模型，電流維持平穩(wěn)，沒有發(fā)散。五、外骨骼機器人的發(fā)展趨勢既有的下肢外骨骼機器人還存在如下幾方面的問題：21體積較大，動作笨拙環(huán)境的適應性和運動的靈活性較差

與操作者的預期動作不吻合不能靈活適應不同的操作者移動范圍和工作時間受限謀求新能源技術自適應能力較弱自學習能力不夠

質量問題柔性安全噪音問題

舒適度問題1、下肢外骨骼機器人應具有較強的學習能力人類的行走存在著“個性化”差別，而且根據(jù)路況，使用的行走動作也是隨機的，極難使用一種固定的模式來描述行走過程，所以極難得到一種固定的輸出設定，而這個行走動作預設參數(shù)的設定卻至關主要，必須使用這項參數(shù)來控制多種情況下的動作。故下肢外骨骼機器人將來發(fā)展最主要的一種方向就是具有學習的能力，也即是：針對它的每一種使用者，“學習出”一套最適應使用者行走習慣的運動模式。2、下肢外骨骼機器人必須輕巧和工作效率高在將來進行下肢外骨骼機器人研制時，應選擇結實、輕型且有彈性的材質，而且外骨骼機器人應具有高度的靈活性，使得使用者穿著作業(yè)時感到輕松自在，而不是受到約束。另外對于外骨骼