1、助行外骨骼機器人助行外骨骼機器人主要內容主要內容1助行外骨骼機器人簡介助行外骨骼機器人簡介發展應用現狀發展應用現狀關鍵技術關鍵技術發展趨勢發展趨勢結論結論2外骨骼機器人外骨骼機器人外骨骼機器人外骨骼機器人： 外骨骼機器人是一種人工外骨骼，也是一種機械機構，能穿戴在人體外部，可以給人提供保護、額外的動力和能力，增強人體機能，使得操作者能輕松地完成很多艱難的活動和任務。助行外骨骼機器人助行外骨骼機器人 助行外骨骼機器人助行外骨骼機器人是下肢外骨骼機器人，屬于外骨骼機器人的一種，也是應用最為廣泛的一種。 目前的助行外骨骼機器人系統的研制和應用可以分為民用和軍用兩大類。 民用方面的外骨骼機器人系統主要

2、用于輔助殘疾人、老年人和喪失部分運動能力的病人行走；軍用方面的外骨骼機器人系統主要用來增強普通士兵的能力，可以讓普通士兵成為在負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士兵。3助行外骨骼機器人發展應用助行外骨骼機器人發展應用 外骨骼下肢助行機器人的研究始于20世紀 60 年代末期，主要在歐美等一些發達國家展開，最初的外骨骼助力機器人分別在兩個地點幾乎同時產生，分別是美國和南斯拉夫，美國研究這技術的最初目的是增強人的能力, 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。 上述兩個項目都以失敗告終，下肢外骨骼機器人的研究在其后經過一段時間陷入沉寂。 但到世紀末, 下肢外骨骼機

3、器人又重新得到世界各國的關注,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 個水壓力動力源和伺服隨動鉸鏈組成，體積巨大，重約 680 公斤，具有 30 個自由度，為上肢和下肢提供助力幫助，控制系統采用主-從控制模式，最終能夠將四肢的力量放大 25 倍。4 1978 年，美國麻省理工學院研究出“被動式外骨骼助力機器人”。MIT的外骨骼下肢助力機器人能夠在負載 36公斤的情況下行走 1m/s，其中 80%的負重被傳遞到地面上。它的關節自由度配置包括髖關節有 3 個自由度，膝關節 1 個自由度。穿戴者與機器人在肩膀、腕關節、大腿和腳部

4、連接，機器人總重量是 11.7Kg。 驅動方式不采用電力驅動，只利用彈簧儲能和變阻尼器驅動關節驅動。髖關節伸/屈運動時，伸運動時彈簧釋放能量，屈運動時彈簧儲存能量，膝關節利用磁流變阻尼器，踝關節利用碳纖維彈簧緩沖腳后跟對地面的沖力。傳感器系統是由安裝在外骨骼下肢助力機器人外殼的應變橋式應變片傳感器和安裝在膝關節的電位計組成。5 2004年，加州大學伯克利分校的下肢外骨骼機器人BLEEX。由一個用于負重的背包式外架、兩條動力驅動的仿生金屬腿及相應動力設備組成, 使用背包中的液壓傳動系統和箱式微型空速傳感儀作為液壓泵的能量來源, 以全面增強人體機能。 BLEEX的每條腿具有個7自由度(髖關節3個,

5、 膝關節1個,踝關節3個）,在該裝置中總共有40多個傳感器以及液壓驅動器, 它們組成了一個類似人類神經系統的局域網。BLEEX的負重量能達到75kg,并以0.9m/s的速度行走, 在沒有負重的情況下,能以的1.3m/s速度行走。6 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器人HULC, 這款新型外骨骼繼承了BLEEX的優點, 對一些液壓傳動裝置和結構進行了優化設計, 不但能夠直立行進, 還可完成下蹲和甸甸等多種相對復雜的動作, 穿上后能夠明顯降低人體對氧氣的消耗量。 在一次充滿電后, 可保證穿著者以4.8km/h的速度背負90kg重物持續行進一個小時。而穿著HULC的沖刺速度

6、則可達到16km/h。HULC穿戴起來也非常方便, 士兵只需將腿伸進靴子下方的足床, 然后用皮帶綁住腿部、腰部以及肩部即可,完全脫下需30秒的時間.7 美國薩克斯公司完成的第一款外骨骼機器人是WEAR。2008年4月, 成功研制出外骨骼機器人XOS, 如圖所示。外骨骼機器人XOS代表了外骨骼領域最尖端的技術。它利用附在身體上的傳感器, 可以毫不延遲地反應身體的動作, 輸出強大的力量。當穿上XOS時, 能舉起200磅的重物就好像舉20磅的, 可以連續舉50一500次。目前XOS有一個重大缺陷, 就是利用自帶的電池只能使用40分鐘。 WEAR XOS外骨骼機器人外骨骼機器人8 2005年，日本筑波

7、大學研制出了世界上第一種商業全身式外骨骼助行機器人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。 這款機器人是全身式的外骨骼助力機器人，髖關節和膝關節處通過鉸鏈連接并只有1個自由度，利用諧波直流電機驅動，踝關節是被動的。 HAL系列的助行外骨骼機器人是通過分析人體表皮肌電信號進行控制的。它擁有兩個控制系統：一個是以肌電信號為基礎的系統，一個是以步行模式為基礎的系統。通過分析這兩個系統來判斷使用者的運動意圖。9 2000年，神奈川理工學院研制的全身式外骨骼機器人主要用于護士搬運和移動病人等工作，該機器人可以輕松的搬運85kg的病人。機器人是由肩部，手臂，后背，腕部和腿部機械單元

8、組成的。它的驅動器采用設置在肩部、腕部和腿部微型旋轉氣動驅動器。 傳感器系統由具有稱重功能的肌肉傳感器。控制方法采用主從控制，各機械單元一旦發生運動，這運動將被肌肉傳感器檢測到，力度的不同由稱重傳感器的觸頭檢測到，并由氣動驅動器驅動關節跟隨運動。10 以色列埃爾格醫學技術公司研發外骨骼助行機器人Rewalk，總重 18Kg，運動速度是 1Km/h，能夠連續工作 8 小時。它可以完成行走、站立、坐下、爬樓梯，上坡和下坡等動作。 本田電機公司2008年研制了一款步行助力機器人“Walking assist”總重2Kg的助行機器人有兩個電機驅動，能夠連續工作2小時，步行速度達到4.5km/h，它可以

9、幫助單腿受到損傷的穿戴者。 RewalkWalking assist11 韓國西江大學研制的外骨骼助行機器人。該外骨骼結構上的顯著特點是整個裝置由外骨骼和手推車兩個部分組成。所有的驅動元件,包括電池、電機及控制器等較重的周邊設備都布置在手推車中。 他們采用類似于機電信號的肌纖維膨脹信號, 利用綁在大腿和小腿上的氣囊內的氣體的壓力變化來測得, 而在人腿自由擺動, 肌纖維不膨脹時, 則利用關節處的角度傳感器的信號來觸發驅動器的動作。12 美國芝加哥康復研究所的外骨骼機器人Lokomat。它主要由步態矯形器、先進的體重支援系統和跑步機組成。 通過直接安裝在動力裝置上的力轉換器增加了測量患者活動能力的

10、功能, 而且可以使步態援助水平得到調整, 使導引力從零到最大范圍進行調節, 以適應不同使用者腿的鍛煉。13 國內對外骨骼下肢助力機器人的研究開始與 20 世紀初，目前外骨骼下肢助行機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器人，具有10個自由度，系統利用表皮肌電信號分析穿戴者的運動意圖。 浙江大學研制出了多自由度下肢外骨骼助行機器人，驅動器使用氣動驅動，髖關節和膝關節驅動器為圓形氣缸。它可以將足底壓力信號和氣缸的位移控制信號直接關聯起來，能夠較好的判斷穿戴者的運動意圖。 14 上海大學研制一種下肢康復訓練機器人，由外骨骼助行器，減重機構和跑步機構成。髖關節、膝關節、踝關節各

11、一個自由度，共六個自由度實現在矢狀面內運動，通過反復的訓練來幫助患者逐步恢復行走能力15關鍵技術關鍵技術1.1.助行助行外骨骼機器人的步態分析與步態穩定性控制外骨骼機器人的步態分析與步態穩定性控制 步態分析是人體下肢外骨骼設計的重要依據和工具。由于人體下肢外骨骼跟隨人體下肢一起運動,輔助操作者承載,首先考慮的就是下肢外骨骼應與操作者具有協調一致的動作,與人體下肢具有相同的自由度和運動形式。因此,分析人體下肢自由度、研究人體步態是設計下肢外骨骼實現行走的基礎。2.2.助行助行外骨骼機器人多傳感器的選擇與信息融合外骨骼機器人多傳感器的選擇與信息融合 傳感器是實現自動控制的首要環節。下肢外骨骼機器人

12、的傳感器就如同人的神經一樣重要, 通過他們感知獲取操作者以及外骨骼的各種運動及數據, 才使得整個系統能夠按照預期的目標運動。163.3.助行助行外骨骼機器人的控制系統外骨骼機器人的控制系統 與兩足行走機器人的控制不同, 下肢外骨骼機器人不僅要考慮對機構本身的控制, 還要在控制策略上考慮與使用者的相適應問題。下肢外骨骼機器人必須能夠同步跟隨使用者的動作, 能夠加強使用者的力量并模仿人類的各種動作, 包括戰場上的前后左右移動躲閃, 故控制算法比較復雜。4.4.助行助行外骨骼機器人的驅動方式與能源外骨骼機器人的驅動方式與能源 驅動方式的合理選擇對下肢外骨骼機器人的結構和性能也有很大的影響。下肢外骨骼通常采用的驅動方式有三種電機驅動, 液壓驅動, 氣壓驅動。三種驅動方式各有優缺點，應用時需要根據實際分析選擇。 17發展趨勢發展趨勢 現有的下肢外骨骼機器人還存在以下幾方面的問題體積大, 重量重, 噪音大，對地面的適應性和運動的靈活性還需進一步提高，與使用者的步態還不完全協調，能源的重量較重而且不耐用。基于以上問題和下肢外骨骼機器人的應用背景, 其未來發展呈現出以下幾個趨勢：1.1.智能化智能化2.2.人機耦合人機耦合3.3.模塊化模塊化4.4.微型化微型化18結論結論 助行助行外骨骼機器人作為一種新興的技術，在民用和