外骨骼機(jī)器人發(fā)展課件

助行外骨骼機(jī)器人主要內(nèi)容1助行外骨骼機(jī)器人簡(jiǎn)介發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)結(jié)論2外骨骼機(jī)器人外骨骼機(jī)器人：

外骨骼機(jī)器人是一種人工外骨骼，也是一種機(jī)械機(jī)構(gòu)，能穿戴在人體外部，可以給人提供保護(hù)、額外的動(dòng)力和能力，增強(qiáng)人體機(jī)能，使得操作者能輕松地完成很多艱難的活動(dòng)和任務(wù)。助行外骨骼機(jī)器人發(fā)展應(yīng)用

外骨骼下肢助行機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代末期，主要在歐美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家展開(kāi)，最初的外骨骼助力機(jī)器人分別在兩個(gè)地點(diǎn)幾乎同時(shí)產(chǎn)生，分別是美國(guó)和南斯拉夫，美國(guó)研究這技術(shù)的最初目的是增強(qiáng)人的能力,往往是用于軍事目的,而前南斯拉夫的目的是用來(lái)輔助殘障人。

上述兩個(gè)項(xiàng)目都以失敗告終，下肢外骨骼機(jī)器人的研究在其后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間陷入沉寂。

但到世紀(jì)末,下肢外骨骼機(jī)器人又重新得到世界各國(guó)的關(guān)注,世界上很多國(guó)家都積極地投入到研究中。下面分別介紹一些在下肢外骨骼方面比較成熟的研究成果?！肮下庇?0個(gè)水壓力動(dòng)力源和伺服隨動(dòng)鉸鏈組成，體積巨大，重約680公斤，具有30個(gè)自由度，為上肢和下肢提供助力幫助，控制系統(tǒng)采用主-從控制模式，最終能夠?qū)⑺闹牧α糠糯?5倍。41978年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究出“被動(dòng)式外骨骼助力機(jī)器人”。MIT的外骨骼下肢助力機(jī)器人能夠在負(fù)載36公斤的情況下行走1m/s，其中80%的負(fù)重被傳遞到地面上。它的關(guān)節(jié)自由度配置包括髖關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度。穿戴者與機(jī)器人在肩膀、腕關(guān)節(jié)、大腿和腳部連接，機(jī)器人總重量是11.7Kg。驅(qū)動(dòng)方式不采用電力驅(qū)動(dòng)，只利用彈簧儲(chǔ)能和變阻尼器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。髖關(guān)節(jié)伸/屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧釋放能量，屈運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧儲(chǔ)存能量，膝關(guān)節(jié)利用磁流變阻尼器，踝關(guān)節(jié)利用碳纖維彈簧緩沖腳后跟對(duì)地面的沖力。傳感器系統(tǒng)是由安裝在外骨骼下肢助力機(jī)器人外殼的應(yīng)變橋式應(yīng)變片傳感器和安裝在膝關(guān)節(jié)的電位計(jì)組成。52004年，加州大學(xué)伯克利分校的下肢外骨骼機(jī)器人BLEEX。由一個(gè)用于負(fù)重的背包式外架、兩條動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的仿生金屬腿及相應(yīng)動(dòng)力設(shè)備組成,使用背包中的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和箱式微型空速傳感儀作為液壓泵的能量來(lái)源,以全面增強(qiáng)人體機(jī)能。BLEEX的每條腿具有個(gè)7自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè),膝關(guān)節(jié)1個(gè),踝關(guān)節(jié)3個(gè)）,在該裝置中總共有40多個(gè)傳感器以及液壓驅(qū)動(dòng)器,它們組成了一個(gè)類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)。BLEEX的負(fù)重量能達(dá)到75kg,并以0.9m/s的速度行走,在沒(méi)有負(fù)重的情況下,能以的1.3m/s速度行走。6

美國(guó)薩克斯公司完成的第一款外骨骼機(jī)器人是WEAR。2008年4月,成功研制出外骨骼機(jī)器人XOS,如圖所示。外骨骼機(jī)器人XOS代表了外骨骼領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。它利用附在身體上的傳感器,可以毫不延遲地反應(yīng)身體的動(dòng)作,輸出強(qiáng)大的力量。當(dāng)穿上XOS時(shí),能舉起200磅的重物就好像舉20磅的,可以連續(xù)舉50一500次。目前XOS有一個(gè)重大缺陷,就是利用自帶的電池只能使用40分鐘。WEAR

XOS外骨骼機(jī)器人82005年，日本筑波大學(xué)研制出了世界上第一種商業(yè)全身式外骨骼助行機(jī)器人HAL，它的功能主要是幫助老年人和殘疾人走路，爬樓梯及搬東西等。

這款機(jī)器人是全身式的外骨骼助力機(jī)器人，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處通過(guò)鉸鏈連接并只有1個(gè)自由度，利用諧波直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)是被動(dòng)的。HAL系列的助行外骨骼機(jī)器人是通過(guò)分析人體表皮肌電信號(hào)進(jìn)行控制的。它擁有兩個(gè)控制系統(tǒng)：一個(gè)是以肌電信號(hào)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，一個(gè)是以步行模式為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。通過(guò)分析這兩個(gè)系統(tǒng)來(lái)判斷使用者的運(yùn)動(dòng)意圖。92000年，神奈川理工學(xué)院研制的全身式外骨骼機(jī)器人主要用于護(hù)士搬運(yùn)和移動(dòng)病人等工作，該機(jī)器人可以輕松的搬運(yùn)85kg的病人。機(jī)器人是由肩部，手臂，后背，腕部和腿部機(jī)械單元組成的。它的驅(qū)動(dòng)器采用設(shè)置在肩部、腕部和腿部微型旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。

傳感器系統(tǒng)由具有稱重功能的肌肉傳感器。控制方法采用主從控制，各機(jī)械單元一旦發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這運(yùn)動(dòng)將被肌肉傳感器檢測(cè)到，力度的不同由稱重傳感器的觸頭檢測(cè)到，并由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)跟隨運(yùn)動(dòng)。10韓國(guó)西江大學(xué)研制的外骨骼助行機(jī)器人。該外骨骼結(jié)構(gòu)上的顯著特點(diǎn)是整個(gè)裝置由外骨骼和手推車兩個(gè)部分組成。所有的驅(qū)動(dòng)元件,包括電池、電機(jī)及控制器等較重的周邊設(shè)備都布置在手推車中。

他們采用類似于機(jī)電信號(hào)的肌纖維膨脹信號(hào),利用綁在大腿和小腿上的氣囊內(nèi)的氣體的壓力變化來(lái)測(cè)得,而在人腿自由擺動(dòng),肌纖維不膨脹時(shí),則利用關(guān)節(jié)處的角度傳感器的信號(hào)來(lái)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作。12美國(guó)芝加哥康復(fù)研究所的外骨骼機(jī)器人Lokomat。它主要由步態(tài)矯形器、先進(jìn)的體重支援系統(tǒng)和跑步機(jī)組成。

通過(guò)直接安裝在動(dòng)力裝置上的力轉(zhuǎn)換器增加了測(cè)量患者活動(dòng)能力的功能,而且可以使步態(tài)援助水平得到調(diào)整,使導(dǎo)引力從零到最大范圍進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同使用者腿的鍛煉。13國(guó)內(nèi)對(duì)外骨骼下肢助力機(jī)器人的研究開(kāi)始與20世紀(jì)初，目前外骨骼下肢助行機(jī)器人的研究正處于起步階段。中科大智能所研究的可穿戴型助行機(jī)器人，具有10個(gè)自由度，系統(tǒng)利用表皮肌電信號(hào)分析穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖。浙江大學(xué)研制出了多自由度下肢外骨骼助行機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)器使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器為圓形氣缸。它可以將足底壓力信號(hào)和氣缸的位移控制信號(hào)直接關(guān)聯(lián)起來(lái)，能夠較好的判斷穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖。

14關(guān)鍵技術(shù)1.助行外骨骼機(jī)器人的步態(tài)分析與步態(tài)穩(wěn)定性控制步態(tài)分析是人體下肢外骨骼設(shè)計(jì)的重要依據(jù)和工具。由于人體下肢外骨骼跟隨人體下肢一起運(yùn)動(dòng),輔助操作者承載,首先考慮的就是下肢外骨骼應(yīng)與操作者具有協(xié)調(diào)一致的動(dòng)作,與人體下肢具有相同的自由度和運(yùn)動(dòng)形式。因此,分析人體下肢自由度、研究人體步態(tài)是設(shè)計(jì)下肢外骨骼實(shí)現(xiàn)行走的基礎(chǔ)。2.助行外骨骼機(jī)器人多傳感器的選擇與信息融合

傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。下肢外骨骼機(jī)器人的傳感器就如同人的神經(jīng)一樣重要,通過(guò)他們感知獲取操作者以及外骨骼的各種運(yùn)動(dòng)及數(shù)據(jù),才使得整個(gè)系統(tǒng)能夠按照預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。163.助行外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)與兩足行走機(jī)器人的控制不同,下肢外骨骼機(jī)器人不僅要考慮對(duì)機(jī)構(gòu)本身的控制,還要在控制策略上考慮與使用者的相適應(yīng)問(wèn)題。下肢外骨骼機(jī)器人必須能夠同步跟隨使用者的動(dòng)作,能夠加強(qiáng)使用者的力量并模仿人類的各種動(dòng)作,包括戰(zhàn)場(chǎng)上的前后左右移動(dòng)躲閃,故控制算法比較復(fù)雜。4.助行外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式與能源驅(qū)動(dòng)方式的合理選擇對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和性能也有很大的影響。下肢外骨骼通常采用的驅(qū)動(dòng)方式有三種電機(jī)驅(qū)動(dòng),液壓驅(qū)動(dòng),氣壓驅(qū)動(dòng)。三種驅(qū)動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際分析選擇。

17發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)有的下肢外骨骼機(jī)器人還存在以下幾方面的問(wèn)題體積大,重量重,噪音大，對(duì)地