外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件

外骨骼康复机器人研究现状及关键技术外骨骼康复机器人研究现状及关1外骨骼机器人的研究现状定义外骨骼机器人:是种结合了人的智能、机械动力装置和机械能量的人机结合的可穿戴设备。按结构可将外骨骼机器人分为上肢、下肢、全身及各类关节机器人应用外骨骼机器人的研究现状2外骨骼机器人的研究现状Stelarc外骨骼是一款肌肉机器人外形与蜘蛛人类似,长有6条腿,直径日本Tmsuk公司开发的T52Enryu,重达到5米。它是一种混合人机,充气和量近5吨,身高达3米,可用于任何灾害的放气之后便可膨胀和收缩,与其他外骨救援工作中,能帮助工作人员清理路上的碎片,能够举起重量近1吨的重物,机械臂骼相比具有更高的灵活性。使用时,操作人员需站在中间,控制机器朝着面部则可以完成所有类型的工作。方向移动。Stelarc外骨骼由流体肌肉传动装置驱动,装有大量传感器。外骨骼机器人的研究现状3、外骨骼机器人的研究现状被谋杀的教授步行辅助设备,由美由美国国防高级研究计划局国弗吉尼亚理工大学的凯文格拉纳塔教(DARPA设计的伯克利布里克外骨授研制的下肢外骨骼机器人,能够帮助骼机器人(BLEEX),可以帮助士少肌症患者恢复身体机能,少肌症可导兵,营救人员以及其他应急人员轻致人体的骨骼肌流失他研制的步行辅助松携带各种设备。外骨骼却仍在帮助着很多患者。、外骨骼机器人的研究现状4、外骨骼机器人的研究现状日本科技公司“赛百达因研制的HAL-5是一款半机器人,它装有主动控制系统,肌肉通过运动机甲外骨骼机器人,高脑控外骨骼系统:由美国密神经元获取来大脑的神经信号,约5.48m,由美国阿拉斯加歇根州大学神经力学实验室设计进而移动肌与骨骼系统。HAL(混州工程师洛斯-欧文斯发明见骨骼、肌肉与神经系统合辅助肢体)可以探测到皮肤表面由内部的驾驶员操控行走。之间的交互作用,所有骨骼和肌非常微弜的信号。动力装置根据接肉均有大脑直接控制。收的信号控制肌肉运动、外骨骼机器人的研究现状5外骨骼机器人的研究现状松下充气式外骨骼,引力平衡腿部矫形器在设计上用于帮助佩戴者在用于帮助偏瘫患者,肘部不受引力影响下走路。由于消除了引力影响,这也和腕部装有传感器,允许就意味着轻偏瘫患者在这种矫形器帮助下可以很容手臂控制8块人造肌肉易行走。借助于这种设备,轻偏瘫患者可以重获力人造肌肉内装有压缩空气量和控制能力。可以进行调节,能够在腿部移动和用于挤压瘫痪的部位引力之间实现一种平衡。外骨骼机器人的研究现状6外骨骼机器人的关键技术机械结构要全面的分析人体外骨骼机器人的控制模型可节的运动范围和运动特点,设计时,应以分为:感知层,控制层,决策该考虑层(1)尽量遵循拟人原则,外骨骼各肢控制系统需要确保外骨骼能体关节等机械形状和尺寸参照人体(快速准确的响应人体的各种动作GB1000-88),还要考虑外骨骼与不同操作者(2)外骨骼各关节如:膝、髋踝关之间的默契,即需要有一定的学节,自由度要考虑到人体相应关节,确习能力,以适应不同操作者的运保其运动形式与人的运动形式相同,且动特点各关节要有一定的运动范围,使其既不限制人体运动又确保动作的安全;(GB24436-2009)(3)能在不同的环境使用,如:楼梯目前外骨骼机器人主要以蕾电池供电,移动范围受到蓄电池的容量和效率的限制如何提高蓄电池单位体积的容量和外骨骼的体积小,质量轻,并且能使用效率是关键问题够提供足够大的力矩或扭矩未来可以寻求新能源技术同时要具有良好的散热性能包括:太阳能,生物能,解决能目前常用的设备驱动主要源发展的技术瓶颈。有:液压驱动,气压驱动和电外骨骼机器人的关键技术7二、外骨骼机器人的关键技术定义:利用电力设备并调节电参数来传递液压驱动动力和进行控制的传动方式定义:以液体为工作介质进行能√优点:技术成熟,结构简单,无污染量传递和控制的传动方式,信号传递迅速且易于实现自动化√优点:惯性小,结构简单,可√缺点:动态平衡特性差,质量大,惯靠性高,工作稳定性大,换向慢;√缺点:受压液体容易泄露,工√代表:日本驻波大学的外骨骼机器人作噪声较大,能源使用效率低HAL系列。传动速度低电机驱动代表:类国伯克利分校研制的∠定义;以压宿空气为工作介质进行能量传速和控主力机械服BLEEX系列制的传动方式优点:结构简单,无污染,阻力损失小,成气压驱动本低等缺点:气动装置传动速度的稳定性较差,信号传递的速度慢,控制性较差,不适用于大功率系统;二、外骨骼机器人的关键技术8二、外骨骼机器人的关键技术·肌电信号可分为:针电极肌电信sEMG:表面肌电信号,是指:神号(NEMG)和表面肌电信号经肌肉系统在进行随意性或非随意(SEMG)NEMG以针电极为引导电极,将性活动时的生物电变化,经皮肤表其插入肌肉内部对动作电位进行面电极引导、放大、显示并记录下直接测量神经肌肉系统活动时的生物电信号sEMG以表面电极为引导电极sEMG传感器·特点:信号形态具有较大的随机性将其安置在皮肤表面拾取肌肉活和不稳定性;动的电位优点:无创性、实时性、多靶点测外骨骼机器人相关传感器光电编码器力传感器定义:将力信号转变为电信号输出的电子元件结构:由力敏元件、转换元件和定义:一种通过光电转换将辋出轴上的电路组成分类:弹性敏感元件机械几何位移转换为脉冲或者数字量的应变式力传感器传感器压阻式力传感器结构:由光栅盘和光电检测装置组成压电式力传感器二、外骨骼机器人的关键技术9二、外骨骼机器人的关键技术1、sEMG传感器表面肌电信号因不同的个体、肌肉而存在差异,但仍具有以下几点共性sEMG信号是一种交流电sEMG信号是一种微弱的电信压信号,其幅值与肌力大致成号,正常肌肉运动单元电位幅值正比关系,肌肉松弛、紧张度一般为100V-2mV,最高不超与sEMG电压幅度之间存在着过5mV,经叠加后的肌电信号幅近似线性关系值范围为:2pV-5mVSEMGEMG信号是一种非平稳随机信sEMG信号是一种低频号,其统计学特性随时间的变化而号,能量主要集中在10变化,信号由强度和传播方向不同1000Hz,300Hz以上显著减在分属不同运动单元的肌纤维上弱,其中绝大部分频谱集中在传播的多个MUAP在信号拾取区域50-150Hz之间兽加而成的,这使得测量具有一定的随机性正是由于相同肌群SEMG信号规律性和不同肌群sEMG信号差异性的存在(人体完成不同动作,肌电信号有所差别,不同个体执行相同动作,肌电信号相似),才使得利用sEMG传感器作为人机接口来控制外骨骼机器人成为可能二、外骨骼机器人的关键技术10外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件11外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件12外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件13外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件14外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件15外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件16外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件17外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件18外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件19外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件20外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件21外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件22外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件23外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解课件24外骨骼康复机器人研究现状及关键技术外骨骼康复机器人研究现状及关25外骨骼机器人的研究现状定义外骨骼机器人:是种结合了人的智能、机械动力装置和机械能量的人机结合的可穿戴设备。按结构可将外骨骼机器人分为上肢、下肢、全身及各类关节机器人应用外骨骼机器人的研究现状26外骨骼机器人的研究现状Stelarc外骨骼是一款肌肉机器人外形与蜘蛛人类似,长有6条腿,直径日本Tmsuk公司开发的T52Enryu,重达到5米。它是一种混合人机,充气和量近5吨,身高达3米,可用于任何灾害的放气之后便可膨胀和收缩,与其他外骨救援工作中,能帮助工作人员清理路上的碎片,能够举起重量近1吨的重物,机械臂骼相比具有更高的灵活性。使用时,操作人员需站在中间,控制机器朝着面部则可以完成所有类型的工作。方向移动。Stelarc外骨骼由流体肌肉传动装置驱动,装有大量传感器。外骨骼机器人的研究现状27、外骨骼机器人的研究现状被谋杀的教授步行辅助设备,由美由美国国防高级研究计划局国弗吉尼亚理工大学的凯文格拉纳塔教(DARPA设计的伯克利布里克外骨授研制的下肢外骨骼机器人,能够帮助骼机器人(BLEEX),可以帮助士少肌症患者恢复身体机能,少肌症可导兵,营救人员以及其他应急人员轻致人体的骨骼肌流失他研制的步行辅助松携带各种设备。外骨骼却仍在帮助着很多患者。、外骨骼机器人的研究现状28、外骨骼机器人的研究现状日本科技公司“赛百达因研制的HAL-5是一款半机器人,它装有主动控制系统,肌肉通过运动机甲外骨骼机器人,高脑控外骨骼系统:由美国密神经元获取来大脑的神经信号,约5.48m,由美国阿拉斯加歇根州大学神经力学实验室设计进而移动肌与骨骼系统。HAL(混州工程师洛斯-欧文斯发明见骨骼、肌肉与神经系统合辅助肢体)可以探测到皮肤表面由内部的驾驶员操控行走。之间的交互作用,所有骨骼和肌非常微弜的信号。动力装置根据接肉均有大脑直接控制。收的信号控制肌肉运动、外骨骼机器人的研究现状29外骨骼机器人的研究现状松下充气式外骨骼,引力平衡腿部矫形器在设计上用于帮助佩戴者在用于帮助偏瘫患者,肘部不受引力影响下走路。由于消除了引力影响,这也和腕部装有传感器,允许就意味着轻偏瘫患者在这种矫形器帮助下可以很容手臂控制8块人造肌肉易行走。借助于这种设备,轻偏瘫患者可以重获力人造肌肉内装有压缩空气量和控制能力。可以进行调节,能够在腿部移动和用于挤压瘫痪的部位引力之间实现一种平衡。外骨骼机器人的研究现状30外骨骼机器人的关键技术机械结构要全面的分析人体外骨骼机器人的控制模型可节的运动范围和运动特点,设计时,应以分为:感知层,控制层,决策该考虑层(1)尽量遵循拟人原则,外骨骼各肢控制系统需要确保外骨骼能体关节等机械形状和尺寸参照人体(快速准确的响应人体的各种动作GB1000-88),还要考虑外骨骼与不同操作者(2)外骨骼各关节如:膝、髋踝关之间的默契,即需要有一定的学节,自由度要考虑到人体相应关节,确习能力,以适应不同操作者的运保其运动形式与人的运动形式相同,且动特点各关节要有一定的运动范围,使其既不限制人体运动又确保动作的安全;(GB24436-2009)(3)能在不同的环境使用,如:楼梯目前外骨骼机器人主要以蕾电池供电,移动范围受到蓄电池的容量和效率的限制如何提高蓄电池单位体积的容量和外骨骼的体积小,质量轻,并且能使用效率是关键问题够提供足够大的力矩或扭矩未来可以寻求新能源技术同时要具有良好的散热性能包括:太阳能,生物能,解决能目前常用的设备驱动主要源发展的技术瓶颈。有:液压驱动,气压驱动和电外骨骼机器人的关键技术31二、外骨骼机器人的关键技术定义:利用电力设备并调节电参数来传递液压驱动动力和进行控制的传动方式定义:以液体为工作介质进行能√优点:技术成熟,结构简单,无污染量传递和控制的传动方式,信号传递迅速且易于实现自动化√优点:惯性小,结构简单,可√缺点:动态平衡特性差,质量大,惯靠性高,工作稳定性大,换向慢;√缺点:受压液体容易泄露,工√代表:日本驻波大学的外骨骼机器人作噪声较大,能源使用效率低HAL系列。传动速度低电机驱动代表:类国伯克利分校研制的∠定义;以压宿空气为工作介质进行能量传速和控主力机械服BLEEX系列制的传动方式优点:结构简单,无污染,阻力损失小,成气压驱动本低等缺点:气动装置传动速度的稳定性较差,信号传递的速度慢,控制性较差,不适用于大功率系统;二、外骨骼机器人的关键技术32二、外骨骼机器人的关键技术·肌电信号可分为:针电极肌电信sEMG:表面肌电信号,是指:神号(NEMG)和表面肌电信号经肌肉系统在进行随意性或非随意(SEMG)NEMG以针电极为引导电极,将性活动时的生物电变化,经皮肤表其插入肌肉内部对动作电位进行面电极引导、放大、显示并记录下直接测量神经肌肉系统活动时的生物电信号sEMG以表面电极为引导电极sEMG传感器·特点:信号形态具有较大的随机性将其安置在皮肤表面拾取肌肉活和不稳定性;动的电位优点:无创性、实时性、多靶点测外骨骼机器人相关传感器光电编码器力传感器定义:将力信号转变为电信号输出的电子元件结构:由力敏元件、转换元件和定义:一种通过光电转换将辋出轴上的电路组成分类:弹性敏感元件机械几何位移转换为脉冲或者数字量的应变式力传感器传感器压阻式力传感器结构:由光栅盘和光电检测装置组成压电式力传感器二、外骨骼机器人的关键技术33二、外骨骼机器人的关键技术1、sEMG传感器表面肌电信号因不同的个体、肌肉而存在差异,但仍具有以下几点共性sEMG信号是一种交流电sEMG信号是一种微弱的电信压信号,其幅值与肌力大致成号,正常肌肉运动单元电位幅值正比关系,肌肉松弛、紧张度一般为100V-2mV,最高不超与sEMG电压幅度之间存在着过5mV,经叠加后的肌电信号幅近似线性关系值范围为:2pV-5mVSEMGEMG信号是一种非平稳随机