外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀以及關(guān)鍵技術(shù)

1、外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)第1頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三定義 外骨骼機器人：是一種結(jié)合了人的智能、機械動力裝置和機械能量的人機結(jié)合的可穿戴設(shè)備。按結(jié)構(gòu)可將外骨骼機器人分為上肢、下肢、全身及各類關(guān)節(jié)機器人。應(yīng)用一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2022/10/11第2頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三 日本Tmsuk公司開發(fā)的T52 Enryu，重量近5噸，身高達3米，可用于任何災(zāi)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，機械臂則可以完成所有類型的工作。 Stelarc外骨骼是一款肌肉機器人，外形與蜘蛛人類似，

2、長有6條腿，直徑達到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(qū)動，裝有大量傳感器。 一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2022/10/11第3頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三 被謀殺的教授步行輔助設(shè)備，由美國弗吉尼亞理工大學(xué)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(fù)身體機能，少肌癥可導(dǎo)致人體的骨骼肌流失,他研制的步行輔助外骨骼卻仍在幫助著很多患者。 由美國國防高級研究計劃局(DARPA)設(shè)計的伯克利布里克外骨骼機器人

3、（BLEEX），可以幫助士兵，營救人員以及其他應(yīng)急人員輕松攜帶各種設(shè)備。一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2022/10/11第4頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三 日本科技公司“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)，肌肉通過運動神經(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)可以探測到皮膚表面非常微弱的信號。動力裝置根據(jù)接收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(nèi)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(xué)神經(jīng)力學(xué)實驗室設(shè)計，可實現(xiàn)骨骼、肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)之間的

4、交互作用，所有骨骼和肌肉均有大腦直接控制。一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2022/10/11第5頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三 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(nèi)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(shè)計上用于幫助佩戴者在不受引力影響下走路。由于消除了引力影響，這也就意味著輕偏癱患者在這種矯形器幫助下可以很容易行走。借助于這種設(shè)備，輕偏癱患者可以重獲力量和控制能力?？梢赃M行調(diào)節(jié)，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2022/10/11第6頁，共23頁，2022年，5

5、月20日，19點35分，星期三 機械結(jié)構(gòu)要全面的分析人體各關(guān)節(jié)的運動范圍和運動特點，設(shè)計時，應(yīng)該考慮：（1）盡量遵循擬人原則，外骨骼各肢體關(guān)節(jié)等機械形狀和尺寸參照人體（GB1000-88）；（2）外骨骼各關(guān)節(jié)如：膝、髖、踝關(guān)節(jié)，自由度要考慮到人體相應(yīng)關(guān)節(jié)，確保其運動形式與人的運動形式相同，且各關(guān)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；（GB24436-2009）（3）能在不同的環(huán)境使用，如：樓梯，草地等。 體積小，質(zhì)量輕，并且能夠提供足夠大的力矩或扭矩，同時要具有良好的散熱性能。 目前常用的設(shè)備驅(qū)動主要有：液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動。 目前外骨骼機器人主要以蓄電池供電，移

6、動范圍受到蓄電池的容量和效率的限制,如何提高蓄電池單位體積的容量和外骨骼的使用效率是關(guān)鍵問題。 未來可以尋求新能源技術(shù)，包括：太陽能，生物能，解決能源發(fā)展的技術(shù)瓶頸。 外骨骼機器人的控制模型可以分為：感知層，控制層，決策層。 控制系統(tǒng)需要確保外骨骼能快速準(zhǔn)確的響應(yīng)人體的各種動作，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(xué)習(xí)能力，以適應(yīng)不同操作者的運動特點。二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)2022/10/11第7頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三 電 機 驅(qū) 動 氣 壓 驅(qū) 動 定義：以液體為工作介質(zhì)進行能量傳遞和控制的傳動方式。優(yōu)點：慣性小，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，工

7、作穩(wěn)定；缺點：受壓液體容易泄露，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(shè)備并調(diào)節(jié)電參數(shù)來傳遞動力和進行控制的傳動方式。優(yōu)點：技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，無污染，信號傳遞迅速且易于實現(xiàn)自動化；缺點：動態(tài)平衡特性差，質(zhì)量大，慣性大，換向慢；代表：日本駐波大學(xué)的外骨骼機器人HAL系列。定義：以壓縮空氣為工作介質(zhì)進行能量傳遞和控制的傳動方式。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，無污染，阻力損失小，成本低等；缺點：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，不適用于大功率系統(tǒng)；二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)液 壓 驅(qū) 動 2022/10/118第8頁，

8、共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三sEMG傳感器光電編碼器力傳感器外骨骼機器人相關(guān)傳感器定義：一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移轉(zhuǎn)換為脈沖或者數(shù)字量的傳感器結(jié)構(gòu)：由光柵盤和光電檢測裝置組成定義：將力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵龅碾娮釉Y(jié)構(gòu)：由力敏元件、轉(zhuǎn)換元件和電路組成分類：彈性敏感元件 應(yīng)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(dǎo)、放大、顯示并記錄下神經(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：

9、針電極肌電信號 （NEMG）和表面肌電信號（sEMG）。NEMG以針電極為引導(dǎo)電極，將其插入肌肉內(nèi)部對動作電位進行直接測量；sEMG以表面電極為引導(dǎo)電極，將其安置在皮膚表面拾取肌肉活動的電位二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)2022/10/11第9頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三表面肌電信號因不同的個體、肌肉而存在差異，但仍具有以下幾點共性： sEMG信號是一種交流電壓信號，其幅值與肌力大致成正比關(guān)系，肌肉松弛、緊張度與sEMG電壓幅度之間存在著近似線性關(guān)系。 sEMG信號是一種微弱的電信號，正常肌肉運動單元電位幅值一般為100V-2mV，最高不超過5mV，經(jīng)疊加后的肌電信號

10、幅值范圍為：2V-5mV。 sEMG信號是一種低頻信號，能量主要集中在10-1000Hz，300Hz以上顯著減弱，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(xué)特性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個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 正是由于相同肌群sEMG信號規(guī)律性和不同肌群sEMG信號差異性的存在（人體完成不同動作，肌電信號有所差別，不同個體執(zhí)行相同動作，肌電信號相似），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

11、骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)2022/10/11第10頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三壓電式力傳感器彈性敏感 元件應(yīng)變式力傳感器壓磁式力傳感器力傳感器 壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料在某一方向上受到壓力作用時，他的電阻率會發(fā)生顯著變化。其靈敏度比金屬應(yīng)變片高50-100倍。優(yōu)點：1.分辨率高，尺寸小2.橫向效應(yīng)小，滯后和蠕變小3.響應(yīng)頻率高，適合動態(tài)測量 由彈性元件、電阻應(yīng)變片組成用來測量力的應(yīng)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，輸出特性的線性度好；3.結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕；4.響應(yīng)頻率高，適合測量動態(tài)過程 壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)受到外力作用，幾何尺寸

12、發(fā)生變化，物體表面產(chǎn)生電荷形成電場，當(dāng)外力消失時，材料重新恢復(fù)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(yīng)變或者位移，再由傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。如：彈簧、波紋管壓阻式力傳感器 壓磁效應(yīng)：一些鐵磁材料在受到外力作用后，其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，引起鐵磁材料磁導(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)2022/10/11第11頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三 根據(jù)光電編碼器的刻度方法及信號輸出形式，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

13、兩組脈沖相位差90，用于判斷方向，Z相位為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。優(yōu)點：原理構(gòu)造簡單，機械壽命長，抗干擾能 力強，可靠性高，適合長距離傳輸缺點：無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息絕對式：利用二進制方式進行轉(zhuǎn)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)間組成，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(biāo)的絕對值，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不會丟失缺點：分辨率由二進制的位數(shù)來決定，N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必有N條碼道。3、光電編碼器二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)2022/10/11第12頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三人體外骨骼機器人二、外

14、骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)2022/10/11第13頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三Armeo PowerArmeo SpringArmeo Boom 理論基礎(chǔ)：研究表明：許多中風(fēng)、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，并可以通過密集的、重復(fù)的帶有任務(wù)的動作使其進行重新構(gòu)造。四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機器人2022/10/1114第14頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機器人上肢5自由度為：(1)肩關(guān)節(jié)側(cè)展自由度；(2)肩關(guān)節(jié)屈伸自由度；肘關(guān)節(jié)屈伸自由度；前臂旋轉(zhuǎn)自由度；手腕屈伸自由度。下肢外骨

15、骼的 4 個自由度為：髖關(guān)節(jié)側(cè)展自由度；髖關(guān)節(jié)屈伸自由度；膝關(guān)節(jié)屈伸自由度；踝關(guān)節(jié)屈伸自由度。2022/10/1115第15頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機器人第16頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機器人第17頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機器人由于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(xué)習(xí)觀察器的自適應(yīng)控制方法來讓機器學(xué)習(xí)出系統(tǒng)應(yīng)有的動力學(xué)模型前饋。這種控制方法使得我們能夠讓機器人克服運動過程中的阻尼來引導(dǎo)患者完成所需要的運動

16、動作，并且根據(jù)患者完成情況逐漸減少出力，最終直到外骨骼完全不用出力、完全通過患者自身的肌肉發(fā)力來完成所期望的運動動作。同時，這種算法也可以同時識別出機器人的運動模型，在運動的過程中進行前饋補償。第18頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三四、可穿戴式康復(fù)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(guān)節(jié)電機的電流。由圖 6 可看出，隨著運動的進行，肘關(guān)節(jié)的運動誤差越來越小，表示算法逐漸學(xué)習(xí)出了系統(tǒng)的運動模型，同時電流維持平穩(wěn)，沒有發(fā)散。圖7 為一組腕關(guān)節(jié)的運動軌跡圖，因為關(guān)節(jié)本身受力較小，所以初始誤差較肘關(guān)節(jié)更小。算法同樣逐漸學(xué)習(xí)出

17、了系統(tǒng)的運動模型，電流維持平穩(wěn)，沒有發(fā)散。第19頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三五、外骨骼機器人的發(fā)展趨勢 現(xiàn)有的下肢外骨骼機器人還存在以下幾方面的問題： 20 體積較大，動作笨拙 環(huán)境的適應(yīng)性和運動的靈活性較差 與操作者的預(yù)期動作不吻合 不能靈活適應(yīng)不同的操作者 移動范圍和工作時間受限 尋求新能源技術(shù) 自適應(yīng)能力較弱 自學(xué)習(xí)能力不夠 質(zhì)量問題 柔性安全 噪音問題 舒適度問題第20頁，共23頁，2022年，5月20日，19點35分，星期三1、下肢 外骨骼機器人應(yīng)具有較強的學(xué)習(xí)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，很難使用一個固定的

18、模式來描述行走過程，所以很難得到一個固定的輸出設(shè)定，而這個行走動作預(yù)設(shè)參數(shù)的設(shè)定卻至關(guān)重要，必須使用這項參數(shù)來控制各種情況下的動作。故下肢外骨骼機器人未來發(fā)展最重要的一個方向就是具有學(xué)習(xí)的能力，也即是：針對它的每一個使用者，“學(xué)習(xí)出”一套最適應(yīng)使用者行走習(xí)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 在未來進行下肢外骨骼機器人研制時，應(yīng)選擇堅固、輕型且有彈性的材質(zhì)，并且外骨骼機器人應(yīng)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。另外對于外骨骼機器人的動力源，攜帶的能源必須能夠維持24小時的工作，而且必須輕且完全無聲：應(yīng)發(fā)展熱效率高和污染較低的新型能源，如燃料電池，保證外骨