几种外骨骼机器人技术详解

1、. 1 外骨骼机器人外骨骼机器人 . 2 外骨骼机器人 外骨骼机器人：将人的智力和机器人的“体力”完美 结合，在助力、助老、助残及军事领 域有广阔应用前景 . 3 BLEEX外骨骼机器人外骨骼机器人- 研发背景研发背景 加州大学伯克利分校于2000年在美国国防部“增强人体机 能的外骨骼”(EHPA)项目的资助下，研制一种机器骨骼。 未来士兵佩戴外骨骼机器人后，将成为一名超级士兵，可 携载更多的武器装备，火力威力增强，防护水平提高，同 时可克服任何障碍，高速前进，不会产生疲劳感。2005年 进行外骨骼（BLEEX）样机试验测试。 科幻中的超级战士科幻中的超级战士 佩戴佩戴BLEEX的士兵的士兵

2、. 4 BLEEX外骨骼外骨骼- 技术指标技术指标 BLEEX有两个动力拟人腿，单腿有7DOF （髋关节3DOF，膝关节1DOF，踝关节 3DOF） 连杆采用轻质钛合金材料 混合液动电动能量供给单元，能源可 维持20h持续工作 直线液压驱动（小巧/轻质/大力） 自重38kg，最大负载37kg，最大负载步 行速度0.9m/s，无负载步行速度1.3m/s . 5 BLEEX外骨骼外骨骼- 关键技术关键技术 拟人化结构设计技术 人步行时的 最大值 BLEEX的 最大值 男性军人平 均最大值 踝关节弯曲14.14535 踝关节伸展20.64538 踝关节外展无效无效2023 踝关节内收无效无效2024

3、 膝关节弯曲73.5121159 髋关节弯曲32.2121125 髋关节伸展22.510无效无效 髋关节外展7.91653 髋关节内收6.41631 外侧完全旋转13.23573 内侧完全旋转1.63566 . 6 BLEEX外骨骼外骨骼- 关键技术关键技术 BLEEX的关节与人下肢关节 匹配，连杆长度可调 . 7 BLEEX外骨骼外骨骼- 关键技术关键技术 BLEEX的受驱动关节都装有航空轴承，克服偏轴距和摩 擦力的影响，保持小断面、无间隙和低摩擦特性。 BLEEX每条腿装有40多个不同类型传感器，实时获取运 动及力等信息。 . 8 BLEEX外骨骼外骨骼- 关键技术关键技术 依据传感器信息

4、，基于最小化人 机交互作用设计控制策略，控制 BLEEX伴随人体运动，保证了人 体运动的安全、自由。 . 9 BLEEX外骨骼外骨骼- 关键技术关键技术 混合能量供给单 元，液压驱动关 节运动，电源供 给传感、计算和 控制系统； 电路采用高速同 步环状网络拓扑 结构，保证数据 采集、处理的实 时性。 . 10 BLEEX外骨骼外骨骼技术拓展技术拓展 为市场化BLEXX技术成立的Berkely Bionics公司，研发了 第二代军用外骨骼ExoHiker和ExoClimber ExoHikerExoClimber 为大负载，长 时工作设计 自重14kg，负 载68kg 佩戴1磅的电 池，以4km

5、/h 的速度，行进 70km 噪声微小 穿戴后不妨碍 驾驶车辆 除了大负载和长 时特征，可以快 速上下台阶/斜坡 自重22kg，负载 68kg 佩戴1磅的电池， 在最大负载条件 下，至少爬183m 斜坡 噪声类似一台办 公打印机 . 11 BLEEX外骨骼外骨骼技术拓展技术拓展 Berkely Bionics公司于2009年研发了第三代军用 外骨骼HULC HULC使用者可灵活的进行 下蹲、匍伏和上肢举重 自重24kg，最大负载90kg ，适用身高1.62m至1.87m 的使用者，使用者30s内 可以脱下 持续最大速度11km/h，爆 发速度16km/h 8块锂电池可供HULC工作 96小时

6、. 12 HAL外骨骼机器人外骨骼机器人- 研发意义研发意义 随着老年人口的增多，助老成为许多国家面临的关键社会 问题 提高肢体残疾患者自主生活/工作能力一直是全世界助残事 业的重点 增强体力劳动者的劳动能力，辅助劳动者在危险环境（如 地震灾区）中尽快完成繁重劳动 HAL外骨骼机器人 旨在辅助体弱或运 动不便人群正常运 动；并能增强劳动 者体力，提高劳动 者的工作效率 . 13 HAL外骨骼机器人外骨骼机器人- 研发历程研发历程 HAL（Hybrid Assistive Limb）由的山海嘉之教授创立Cyberdyne公司研制。 HAL-5于2005年亮相爱知世博会，并获最佳发明奖，2012年

7、已有130多家医疗 机构使用，2013年成为世界上首个获得全球安全认证的外骨骼机器人。 . 14 HAL外骨骼机器人外骨骼机器人- 技术指标技术指标 HAL-5是全身型外骨骼系统，高1.6m， 重约23kg，下肢约15kg 全身共26DOF，每条腿有8DOF 充电电池，工作电压100V 连续工作时间2小时40分 实现站、坐、走、蹲及上下台阶等运动 最大负载70kg 行走速度可达到4km/h 使用前，需要30分钟的训练 . 15 HAL外骨骼机器人外骨骼机器人- 关键技术关键技术 电机驱动各个运动关节，HAL包括EMG电极、足底压力传感器、 编码器等多种记录人机运动状态的传感器，信息传输到中央处

8、 理器进行分析处理。 . 16 HAL外骨骼机器人外骨骼机器人- 关键技术关键技术 HAL通过捕获激发人体运动的神经电信号（肌电信号）识别人的运动意图， 基于运动意图实现自主控制。 . 17 HAL外骨骼机器人外骨骼机器人- 关键技术关键技术 HAL基于人体运动步态分析，记忆使用者的运动特征作为参考值，控制外骨 骼实现平滑运动。 . 18 HAL外骨骼机器人外骨骼机器人- 关键技术关键技术 HAL的双控制系统设计 步态参考模型步态参考模型 运动意图估计运动意图估计 . 19 HAL外骨骼机器人外骨骼机器人- 应用实例应用实例 HAL辅助残疾患者进行康复训练，提升患者训练的自主性，提 高康复效率

9、，到2013年，已有160套HAL外骨骼在医疗机构应 用于康复训练测试。 . 20 HAL外骨骼机器人外骨骼机器人- 应用实例应用实例 HAL最新产品应用于福岛核电站的清理 工作，外骨骼可以防止核辐射，极大提高 工作效率 . 21 HAL外骨骼机器人外骨骼机器人- 市场分析市场分析 HAL康复设备已于2008年市场化，目前仅在日本向公共机 构出租，租金每个月US$2000。产品于2013年获得了全 球安全认证，将投入批量化生产，预计前期每年产量 500800套，前期仍以出租的方式投入市场，对其它国家 出租价格每月US$1300US$3900。由于有巨大的市场需 求，市场效益十分可观。 . 22 外骨骼机器人外骨骼机器人- 关键技术关键技术 外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融 合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿 戴的机械机构的综合技术，核心部分包括以下几 个方面： 1、构造材料：外骨骼必须用坚韧、轻质且有弹性的复合材料制成。 2、能量源