助行外骨骼机器人

1、助行外骨骼机器人助行外骨骼机器人 主要内容主要内容 1 助行外骨骼机器人简介助行外骨骼机器人简介 发展应用现状发展应用现状 关键技术关键技术 发展趋势发展趋势 结论结论 2 外骨骼机器人外骨骼机器人 外骨骼机器人外骨骼机器人： 外骨骼机器人是一种人工外骨骼，也是一种机械机构，能穿戴在人 体外部，可以给人提供保护、额外的动力和能力，增强人体机能，使得 操作者能轻松地完成很多艰难的活动和任务。 助行外骨骼机器人助行外骨骼机器人 助行外骨骼机器人助行外骨骼机器人是下肢外骨骼机器人，属于外骨骼机 器人的一种，也是应用最为广泛的一种。 目前的助行外骨骼机器人系统的研制和应用可以分为民 用和军用两大类。

2、民用方面的外骨骼机器人系统主要用于辅助残疾人、老 年人和丧失部分运动能力的病人行走；军用方面的外骨骼机 器人系统主要用来增强普通士兵的能力，可以让普通士兵成 为在负重较大的情况下依旧可以跳过较高物体和快速奔跑的 超级士兵。 3 助行外骨骼机器人发展应用助行外骨骼机器人发展应用 外骨骼下肢助行机器人的研究始于 20世纪 60 年代末期，主要在欧美等一些 发达国家展开，最初的外骨骼助力机器人 分别在两个地点几乎同时产生，分别是美 国和南斯拉夫，美国研究这技术的最初目 的是增强人的能力, 往往是用于军事目的, 而前南斯拉夫的目的是用来辅助残障人。 上述两个项目都以失败告终，下肢外 骨骼机器人的研究在

3、其后经过一段时间陷 入沉寂。 但到世纪末, 下肢外骨骼机器人 又重新得到世界各国的关注,世界上很多 国家都积极地投入到研究中。下面分别介 绍一些在下肢外骨骼方面比较成熟的研究 成果。 “哈迪曼”由 30 个水压力动力源 和伺服随动铰链组成，体积巨大，重 约 680 公斤，具有 30 个自由度，为 上肢和下肢提供助力帮助，控制系统 采用主-从控制模式，最终能够将四肢 的力量放大 25 倍。 4 1978 年，美国麻省理工学院研究出“被动式 外骨骼助力机器人”。MIT的外骨骼下肢助力机器 人能够在负载 36公斤的情况下行走 1m/s，其中 80%的负重被传递到地面上。它的关节自由度配置 包括髋关节

4、有 3 个自由度，膝关节 1 个自由度。 穿戴者与机器人在肩膀、腕关节、大腿和脚部连接， 机器人总重量是 11.7Kg。 驱动方式不采用电力驱动，只利用弹簧储能和 变阻尼器驱动关节驱动。髋关节伸/屈运动时，伸 运动时弹簧释放能量，屈运动时弹簧储存能量，膝 关节利用磁流变阻尼器，踝关节利用碳纤维弹簧缓 冲脚后跟对地面的冲力。传感器系统是由安装在外 骨骼下肢助力机器人外壳的应变桥式应变片传感器 和安装在膝关节的电位计组成。 5 2004年，加州大学伯克利分校的下肢外 骨骼机器人BLEEX。由一个用于负重的背包式 外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动 力设备组成, 使用背包中的液压传动系统和 箱式

5、微型空速传感仪作为液压泵的能量来源, 以全面增强人体机能。 BLEEX的每条腿具有个7自由度(髋关节3 个, 膝关节1个,踝关节3个）,在该装置中总 共有40多个传感器以及液压驱动器, 它们组 成了一个类似人类神经系统的局域网。BLEEX 的负重量能达到75kg,并以0.9m/s的速度行走, 在没有负重的情况下,能以的1.3m/s速度行走。 6 目前,洛克希德马丁公司和伯克利 分校共同研制了新一代外骨骼机器人HULC, 这款新型外骨骼继承了BLEEX的优点, 对 一些液压传动装置和结构进行了优化设计, 不但能够直立行进, 还可完成下蹲和甸甸 等多种相对复杂的动作, 穿上后能够明显 降低人体对氧

6、气的消耗量。 在一次充满电后, 可保证穿着者以 4.8km/h的速度背负90kg重物持续行进一 个小时。而穿着HULC的冲刺速度则可达到 16km/h。HULC穿戴起来也非常方便, 士兵 只需将腿伸进靴子下方的足床, 然后用皮 带绑住腿部、腰部以及肩部即可,完全脱 下需30秒的时间. 7 美国萨克斯公司完成的第一款外骨骼机器人 是WEAR。2008年4月, 成功研制出外骨骼机器人XOS, 如图所示。外骨骼机器人XOS代表了外骨骼领域最 尖端的技术。它利用附在身体上的传感器, 可以毫 不延迟地反应身体的动作, 输出强大的力量。当穿 上XOS时, 能举起200磅的重物就好像举20磅的, 可 以连续

7、举50一500次。目前XOS有一个重大缺陷, 就 是利用自带的电池只能使用40分钟。 WEAR XOS外骨骼机器人外骨骼机器人 8 2005年，日本筑波大学研制出了世 界上第一种商业全身式外骨骼助行机器 人HAL，它的功能主要是帮助老年人和残 疾人走路，爬楼梯及搬东西等。 这款机器人是全身式的外骨骼助力 机器人，髋关节和膝关节处通过铰链连 接并只有1个自由度，利用谐波直流电机 驱动，踝关节是被动的。 HAL系列的助行外骨骼机器人是通过 分析人体表皮肌电信号进行控制的。它 拥有两个控制系统：一个是以肌电信号 为基础的系统，一个是以步行模式为基 础的系统。通过分析这两个系统来判断 使用者的运动意图

8、。 9 2000年，神奈川理工学院研 制的全身式外骨骼机器人主要用 于护士搬运和移动病人等工作， 该机器人可以轻松的搬运85kg的 病人。机器人是由肩部，手臂， 后背，腕部和腿部机械单元组成 的。它的驱动器采用设置在肩部、 腕部和腿部微型旋转气动驱动器。 传感器系统由具有称重功能 的肌肉传感器。控制方法采用主 从控制，各机械单元一旦发生运 动，这运动将被肌肉传感器检测 到，力度的不同由称重传感器的 触头检测到，并由气动驱动器驱 动关节跟随运动。 10 以色列埃尔格医学技术公司研发外骨骼助行机器人Rewalk， 总重 18Kg，运动速度是 1Km/h，能够连续工作 8 小时。它可 以完成行走、站

9、立、坐下、爬楼梯，上坡和下坡等动作。 本田电机公司2008年研制了一款步行助力机器人“Walking assist”总重2Kg的助行机器人有两个电机驱动，能够连续工 作2小时，步行速度达到4.5km/h，它可以帮助单腿受到损伤的 穿戴者。 Rewalk Walking assist 11 韩国西江大学研制的外骨骼助 行机器人。该外骨骼结构上的显著 特点是整个装置由外骨骼和手推车 两个部分组成。所有的驱动元件,包 括电池、电机及控制器等较重的周 边设备都布置在手推车中。 他们采用类似于机电信号的肌 纤维膨胀信号, 利用绑在大腿和小腿 上的气囊内的气体的压力变化来测 得, 而在人腿自由摆动, 肌纤

10、维不膨 胀时, 则利用关节处的角度传感器的 信号来触发驱动器的动作。 12 美国芝加哥康复研究所的外骨骼机器人Lokomat。它主 要由步态矫形器、先进的体重支援系统和跑步机组成。 通过直接安装在动力装置上的力转换器增加了测量患者 活动能力的功能, 而且可以使步态援助水平得到调整, 使导引 力从零到最大范围进行调节, 以适应不同使用者腿的锻炼。 13 国内对外骨骼下肢助力机器人的研究开始与 20 世纪初，目 前外骨骼下肢助行机器人的研究正处于起步阶段。 中科大智能所研究的可穿戴型助行机器人，具有10个自由度， 系统利用表皮肌电信号分析穿戴者的运动意图。 浙江大学研制出了多自由度下肢外骨骼助行机

11、器人，驱动器 使用气动驱动，髋关节和膝关节驱动器为圆形气缸。它可以将足 底压力信号和气缸的位移控制信号直接关联起来，能够较好的判 断穿戴者的运动意图。 14 上海大学研制一种下肢康复训练机器人，由外骨骼助行器， 减重机构和跑步机构成。髋关节、膝关节、踝关节各一个自由 度，共六个自由度实现在矢状面内运动，通过反复的训练来帮 助患者逐步恢复行走能力 15 关键技术关键技术 1.1.助行助行外骨骼机器人的步态分析与步态稳定性控制外骨骼机器人的步态分析与步态稳定性控制 步态分析是人体下肢外骨骼设计的重要依据和工具。由 于人体下肢外骨骼跟随人体下肢一起运动,辅助操作者承载,首 先考虑的就是下肢外骨骼应与

12、操作者具有协调一致的动作,与 人体下肢具有相同的自由度和运动形式。因此,分析人体下肢 自由度、研究人体步态是设计下肢外骨骼实现行走的基础。 2.2.助行助行外骨骼机器人多传感器的选择与信息融合外骨骼机器人多传感器的选择与信息融合 传感器是实现自动控制的首要环节。下肢外骨骼机器人 的传感器就如同人的神经一样重要, 通过他们感知获取操作者 以及外骨骼的各种运动及数据, 才使得整个系统能够按照预期 的目标运动。 16 3.3.助行助行外骨骼机器人的控制系统外骨骼机器人的控制系统 与两足行走机器人的控制不同, 下肢外骨骼机器人不仅要 考虑对机构本身的控制, 还要在控制策略上考虑与使用者的相 适应问题。

13、下肢外骨骼机器人必须能够同步跟随使用者的动作, 能够加强使用者的力量并模仿人类的各种动作, 包括战场上的 前后左右移动躲闪, 故控制算法比较复杂。 4.4.助行助行外骨骼机器人的驱动方式与能源外骨骼机器人的驱动方式与能源 驱动方式的合理选择对下肢外骨骼机器人的结构和性能也 有很大的影响。下肢外骨骼通常采用的驱动方式有三种电机驱 动, 液压驱动, 气压驱动。三种驱动方式各有优缺点，应用时需 要根据实际分析选择。 17 发展趋势发展趋势 现有的下肢外骨骼机器人还存在以下几方面的问题体积大, 重量重, 噪音大，对地面的适应性和运动的灵活性还需进一步 提高，与使用者的步态还不完全协调，能源的重量较重而且不 耐用。基于以上问题和下肢外骨骼机器人的应用背景, 其未来 发展呈现出以下几个趋势： 1.1.智能化智能化 2.2.人机耦合人机耦合 3.3.模块化模块化 4.4.微型化微型化 18 结论结论 助行助行外骨骼机器人作为一种新兴的技术，在民