外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件

外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)1外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀定義外骨骼機(jī)器人:是種結(jié)合了人的智能、機(jī)械動(dòng)力裝置和機(jī)械能量的人機(jī)結(jié)合的可穿戴設(shè)備。按結(jié)構(gòu)可將外骨骼機(jī)器人分為上肢、下肢、全身及各類關(guān)節(jié)機(jī)器人應(yīng)用外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀2外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀Stelarc外骨骼是一款肌肉機(jī)器人外形與蜘蛛人類似,長有6條腿,直徑日本Tmsuk公司開發(fā)的T52Enryu,重達(dá)到5米。它是一種混合人機(jī),充氣和量近5噸,身高達(dá)3米,可用于任何災(zāi)害的放氣之后便可膨脹和收縮,與其他外骨救援工作中,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(jī)械臂骼相比具有更高的靈活性。使用時(shí),操作人員需站在中間,控制機(jī)器朝著面部則可以完成所有類型的工作。方向移動(dòng)。Stelarc外骨骼由流體肌肉傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng),裝有大量傳感器。外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀3、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀被謀殺的教授步行輔助設(shè)備,由美由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局國弗吉尼亞理工大學(xué)的凱文格拉納塔教(DARPA設(shè)計(jì)的伯克利布里克外骨授研制的下肢外骨骼機(jī)器人,能夠幫助骼機(jī)器人(BLEEX),可以幫助士少肌癥患者恢復(fù)身體機(jī)能,少肌癥可導(dǎo)兵,營救人員以及其他應(yīng)急人員輕致人體的骨骼肌流失他研制的步行輔助松攜帶各種設(shè)備。外骨骼卻仍在幫助著很多患者。、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀4、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀日本科技公司“賽百達(dá)因研制的HAL-5是一款半機(jī)器人,它裝有主動(dòng)控制系統(tǒng),肌肉通過運(yùn)動(dòng)機(jī)甲外骨骼機(jī)器人,高腦控外骨骼系統(tǒng):由美國密神經(jīng)元獲取來大腦的神經(jīng)信號(hào),約5.48m,由美國阿拉斯加歇根州大學(xué)神經(jīng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)進(jìn)而移動(dòng)肌與骨骼系統(tǒng)。HAL(混州工程師洛斯-歐文斯發(fā)明見骨骼、肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)合輔助肢體)可以探測(cè)到皮膚表面由內(nèi)部的駕駛員操控行走。之間的交互作用,所有骨骼和肌非常微弜的信號(hào)。動(dòng)力裝置根據(jù)接肉均有大腦直接控制。收的信號(hào)控制肌肉運(yùn)動(dòng)、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀5外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀松下充氣式外骨骼,引力平衡腿部矯形器在設(shè)計(jì)上用于幫助佩戴者在用于幫助偏癱患者,肘部不受引力影響下走路。由于消除了引力影響,這也和腕部裝有傳感器,允許就意味著輕偏癱患者在這種矯形器幫助下可以很容手臂控制8塊人造肌肉易行走。借助于這種設(shè)備,輕偏癱患者可以重獲力人造肌肉內(nèi)裝有壓縮空氣量和控制能力?？梢赃M(jìn)行調(diào)節(jié),能夠在腿部移動(dòng)和用于擠壓癱瘓的部位引力之間實(shí)現(xiàn)一種平衡。外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀6外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)要全面的分析人體外骨骼機(jī)器人的控制模型可節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)以分為:感知層,控制層,決策該考慮層(1)盡量遵循擬人原則,外骨骼各肢控制系統(tǒng)需要確保外骨骼能體關(guān)節(jié)等機(jī)械形狀和尺寸參照人體(快速準(zhǔn)確的響應(yīng)人體的各種動(dòng)作GB1000-88),還要考慮外骨骼與不同操作者(2)外骨骼各關(guān)節(jié)如:膝、髖踝關(guān)之間的默契,即需要有一定的學(xué)節(jié),自由度要考慮到人體相應(yīng)關(guān)節(jié),確習(xí)能力,以適應(yīng)不同操作者的運(yùn)保其運(yùn)動(dòng)形式與人的運(yùn)動(dòng)形式相同,且動(dòng)特點(diǎn)各關(guān)節(jié)要有一定的運(yùn)動(dòng)范圍,使其既不限制人體運(yùn)動(dòng)又確保動(dòng)作的安全;(GB24436-2009)(3)能在不同的環(huán)境使用,如:樓梯目前外骨骼機(jī)器人主要以蕾電池供電,移動(dòng)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體積小,質(zhì)量輕,并且能使用效率是關(guān)鍵問題夠提供足夠大的力矩或扭矩未來可以尋求新能源技術(shù)同時(shí)要具有良好的散熱性能包括:太陽能,生物能,解決能目前常用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要源發(fā)展的技術(shù)瓶頸。有:液壓驅(qū)動(dòng),氣壓驅(qū)動(dòng)和電外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)7二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)定義:利用電力設(shè)備并調(diào)節(jié)電參數(shù)來傳遞液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力和進(jìn)行控制的傳動(dòng)方式定義:以液體為工作介質(zhì)進(jìn)行能√優(yōu)點(diǎn):技術(shù)成熟,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無污染量傳遞和控制的傳動(dòng)方式,信號(hào)傳遞迅速且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化√優(yōu)點(diǎn):慣性小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可√缺點(diǎn):動(dòng)態(tài)平衡特性差,質(zhì)量大,慣靠性高,工作穩(wěn)定性大,換向慢;√缺點(diǎn):受壓液體容易泄露,工√代表:日本駐波大學(xué)的外骨骼機(jī)器人作噪聲較大,能源使用效率低HAL系列。傳動(dòng)速度低電機(jī)驅(qū)動(dòng)代表:類國伯克利分校研制的∠定義;以壓宿空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳速和控主力機(jī)械服BLEEX系列制的傳動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無污染,阻力損失小,成氣壓驅(qū)動(dòng)本低等缺點(diǎn):氣動(dòng)裝置傳動(dòng)速度的穩(wěn)定性較差,信號(hào)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(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)8二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)·肌電信號(hào)可分為:針電極肌電信sEMG:表面肌電信號(hào),是指:神號(hào)(NEMG)和表面肌電信號(hào)經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進(jìn)行隨意性或非隨意(SEMG)NEMG以針電極為引導(dǎo)電極,將性活動(dòng)時(shí)的生物電變化,經(jīng)皮膚表其插入肌肉內(nèi)部對(duì)動(dòng)作電位進(jìn)行面電極引導(dǎo)、放大、顯示并記錄下直接測(cè)量神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)sEMG以表面電極為引導(dǎo)電極sEMG傳感器·特點(diǎn):信號(hào)形態(tài)具有較大的隨機(jī)性將其安置在皮膚表面拾取肌肉活和不穩(wěn)定性;動(dòng)的電位優(yōu)點(diǎn):無創(chuàng)性、實(shí)時(shí)性、多靶點(diǎn)測(cè)外骨骼機(jī)器人相關(guān)傳感器光電編碼器力傳感器定義:將力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出的電子元件結(jié)構(gòu):由力敏元件、轉(zhuǎn)換元件和定義:一種通過光電轉(zhuǎn)換將輞出軸上的電路組成分類:彈性敏感元件機(jī)械幾何位移轉(zhuǎn)換為脈沖或者數(shù)字量的應(yīng)變式力傳感器傳感器壓阻式力傳感器結(jié)構(gòu):由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成壓電式力傳感器二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)9二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)1、sEMG傳感器表面肌電信號(hào)因不同的個(gè)體、肌肉而存在差異,但仍具有以下幾點(diǎn)共性sEMG信號(hào)是一種交流電sEMG信號(hào)是一種微弱的電信壓信號(hào),其幅值與肌力大致成號(hào),正常肌肉運(yùn)動(dòng)單元電位幅值正比關(guān)系,肌肉松弛、緊張度一般為100V-2mV,最高不超與sEMG電壓幅度之間存在著過5mV,經(jīng)疊加后的肌電信號(hào)幅近似線性關(guān)系值范圍為:2pV-5mVSEMGEMG信號(hào)是一種非平穩(wěn)隨機(jī)信sEMG信號(hào)是一種低頻號(hào),其統(tǒng)計(jì)學(xué)特性隨時(shí)間的變化而號(hào),能量主要集中在10變化,信號(hào)由強(qiáng)度和傳播方向不同1000Hz,300Hz以上顯著減在分屬不同運(yùn)動(dòng)單元的肌纖維上弱,其中絕大部分頻譜集中在傳播的多個(gè)MUAP在信號(hào)拾取區(qū)域50-150Hz之間獸加而成的,這使得測(cè)量具有一定的隨機(jī)性正是由于相同肌群SEMG信號(hào)規(guī)律性和不同肌群sEMG信號(hào)差異性的存在(人體完成不同動(dòng)作,肌電信號(hào)有所差別,不同個(gè)體執(zhí)行相同動(dòng)作,肌電信號(hào)相似),才使得利用sEMG傳感器作為人機(jī)接口來控制外骨骼機(jī)器人成為可能二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)10外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件11外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件12外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件13外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件14外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件15外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件16外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件17外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件18外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件19外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件20外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件21外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件22外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件23外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件24外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)25外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀定義外骨骼機(jī)器人:是種結(jié)合了人的智能、機(jī)械動(dòng)力裝置和機(jī)械能量的人機(jī)結(jié)合的可穿戴設(shè)備。按結(jié)構(gòu)可將外骨骼機(jī)器人分為上肢、下肢、全身及各類關(guān)節(jié)機(jī)器人應(yīng)用外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀26外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀Stelarc外骨骼是一款肌肉機(jī)器人外形與蜘蛛人類似,長有6條腿,直徑日本Tmsuk公司開發(fā)的T52Enryu,重達(dá)到5米。它是一種混合人機(jī),充氣和量近5噸,身高達(dá)3米,可用于任何災(zāi)害的放氣之后便可膨脹和收縮,與其他外骨救援工作中,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(jī)械臂骼相比具有更高的靈活性。使用時(shí),操作人員需站在中間,控制機(jī)器朝著面部則可以完成所有類型的工作。方向移動(dòng)。Stelarc外骨骼由流體肌肉傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng),裝有大量傳感器。外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀27、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀被謀殺的教授步行輔助設(shè)備,由美由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局國弗吉尼亞理工大學(xué)的凱文格拉納塔教(DARPA設(shè)計(jì)的伯克利布里克外骨授研制的下肢外骨骼機(jī)器人,能夠幫助骼機(jī)器人(BLEEX),可以幫助士少肌癥患者恢復(fù)身體機(jī)能,少肌癥可導(dǎo)兵,營救人員以及其他應(yīng)急人員輕致人體的骨骼肌流失他研制的步行輔助松攜帶各種設(shè)備。外骨骼卻仍在幫助著很多患者。、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀28、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀日本科技公司“賽百達(dá)因研制的HAL-5是一款半機(jī)器人,它裝有主動(dòng)控制系統(tǒng),肌肉通過運(yùn)動(dòng)機(jī)甲外骨骼機(jī)器人,高腦控外骨骼系統(tǒng):由美國密神經(jīng)元獲取來大腦的神經(jīng)信號(hào),約5.48m,由美國阿拉斯加歇根州大學(xué)神經(jīng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)進(jìn)而移動(dòng)肌與骨骼系統(tǒng)。HAL(混州工程師洛斯-歐文斯發(fā)明見骨骼、肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)合輔助肢體)可以探測(cè)到皮膚表面由內(nèi)部的駕駛員操控行走。之間的交互作用,所有骨骼和肌非常微弜的信號(hào)。動(dòng)力裝置根據(jù)接肉均有大腦直接控制。收的信號(hào)控制肌肉運(yùn)動(dòng)、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀29外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀松下充氣式外骨骼,引力平衡腿部矯形器在設(shè)計(jì)上用于幫助佩戴者在用于幫助偏癱患者,肘部不受引力影響下走路。由于消除了引力影響,這也和腕部裝有傳感器,允許就意味著輕偏癱患者在這種矯形器幫助下可以很容手臂控制8塊人造肌肉易行走。借助于這種設(shè)備,輕偏癱患者可以重獲力人造肌肉內(nèi)裝有壓縮空氣量和控制能力?？梢赃M(jìn)行調(diào)節(jié),能夠在腿部移動(dòng)和用于擠壓癱瘓的部位引力之間實(shí)現(xiàn)一種平衡。外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀30外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)要全面的分析人體外骨骼機(jī)器人的控制模型可節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)以分為:感知層,控制層,決策該考慮層(1)盡量遵循擬人原則,外骨骼各肢控制系統(tǒng)需要確保外骨骼能體關(guān)節(jié)等機(jī)械形狀和尺寸參照人體(快速準(zhǔn)確的響應(yīng)人體的各種動(dòng)作GB1000-88),還要考慮外骨骼與不同操作者(2)外骨骼各關(guān)節(jié)如:膝、髖踝關(guān)之間的默契,即需要有一定的學(xué)節(jié),自由度要考慮到人體相應(yīng)關(guān)節(jié),確習(xí)能力,以適應(yīng)不同操作者的運(yùn)保其運(yùn)動(dòng)形式與人的運(yùn)動(dòng)形式相同,且動(dòng)特點(diǎn)各關(guān)節(jié)要有一定的運(yùn)動(dòng)范圍,使其既不限制人體運(yùn)動(dòng)又確保動(dòng)作的安全;(GB24436-2009)(3)能在不同的環(huán)境使用,如:樓梯目前外骨骼機(jī)器人主要以蕾電池供電,移動(dòng)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體積小,質(zhì)量輕,并且能使用效率是關(guān)鍵問題夠提供足夠大的力矩或扭矩未來可以尋求新能源技術(shù)同時(shí)要具有良好的散熱性能包括:太陽能,生物能,解決能目前常用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要源發(fā)展的技術(shù)瓶頸。有:液壓驅(qū)動(dòng),氣壓驅(qū)動(dòng)和電外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)31二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)定義:利用電力設(shè)備并調(diào)節(jié)電參數(shù)來傳遞液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力和進(jìn)行控制的傳動(dòng)方式定義:以液體為工作介質(zhì)進(jìn)行能√優(yōu)點(diǎn):技術(shù)成熟,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無污染量傳遞和控制的傳動(dòng)方式,信號(hào)傳遞迅速且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化√優(yōu)點(diǎn):慣性小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可√缺點(diǎn):動(dòng)態(tài)平衡特性差,質(zhì)量大,慣靠性高,工作穩(wěn)定性大,換向慢;√缺點(diǎn):受壓液體容易泄露,工√代表:日本駐波大學(xué)的外骨骼機(jī)器人作噪聲較大,能源使用效率低HAL系列。傳動(dòng)速度低電機(jī)驅(qū)動(dòng)代表:類國伯克利分校研制的∠定義;以壓宿空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳速和控主力機(jī)械服BLEEX系列制的傳動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無污染,阻力損失小,成氣壓驅(qū)動(dòng)本低等缺點(diǎn):氣動(dòng)裝置傳動(dòng)速度的穩(wěn)定性較差,信號(hào)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(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)32二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)·肌電信號(hào)可分為:針電極肌電信sEMG:表面肌電信號(hào),是指:神號(hào)(NEMG)和表面肌電信號(hào)經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進(jìn)行隨意性或非隨意(SEMG)NEMG以針電極為引導(dǎo)電極,將性活動(dòng)時(shí)的生物電變化,經(jīng)皮膚表其插入肌肉內(nèi)部對(duì)動(dòng)作電位進(jìn)行面電極引導(dǎo)、放大、顯示并記錄下直接測(cè)量神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)sEMG以表面電極為引導(dǎo)電極sEMG傳感器·特點(diǎn):信號(hào)形態(tài)具有較大的隨機(jī)性將其安置在皮膚表面拾取肌肉活和不穩(wěn)定性;動(dòng)的電位優(yōu)點(diǎn):無創(chuàng)性、實(shí)時(shí)性、多靶點(diǎn)測(cè)外骨骼機(jī)器人相關(guān)傳感器光電編碼器力傳感器定義:將力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出的電子元件結(jié)構(gòu):由力敏元件、轉(zhuǎn)換元件和定義:一種通過光電轉(zhuǎn)換將輞出軸上的電路組成分類:彈性敏感元件機(jī)械幾何位移轉(zhuǎn)換為脈沖或者數(shù)字量的應(yīng)變式力傳感器傳感器壓阻式力傳感器結(jié)構(gòu):由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成壓電式力傳感器二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)33二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)1、sEMG傳感器表面肌電信號(hào)因不同的個(gè)體、肌肉而存在差異,但仍具有以下幾點(diǎn)共性sEMG信號(hào)是一種交流電sEMG信號(hào)是一種微弱的電信壓信號(hào),其幅值與肌力大致成號(hào),正常肌肉運(yùn)動(dòng)單元電位幅值正比關(guān)系,肌肉松弛、緊張度一般為100V-2mV,最高不超與sEMG電壓幅度之間存在著過5mV,經(jīng)疊加后的肌電信號(hào)幅近似線性關(guān)系值范圍為:2pV-5mVSEMGEMG信號(hào)是一種非平穩(wěn)隨機(jī)