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

1、外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵 技術(shù)技術(shù) 1 2 2 可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人3 外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 3 1 2 外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趁勢(shì)外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趁勢(shì)4 3 定義 外骨骼機(jī)器人：是一種結(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 一、一、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 4 日本Tmsuk公司開發(fā)的T52 Enryu，重 量近5噸，身高達(dá)3

2、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(jī)械臂 則可以完成所有類型的工作。 Stelarc外骨骼是一款肌肉機(jī)器人， 外形與蜘蛛人類似，長(zhǎng)有6條腿，直徑 達(dá)到5米。它是一種混合人機(jī)，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(shí)，操 作人員需站在中間，控制機(jī)器朝著面部 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。 一、一、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 5 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(jī)器人，能夠幫助 少肌癥患者恢復(fù)身體機(jī)能，少肌癥可導(dǎo) 致

3、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(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA)設(shè)計(jì)的伯克利布里克外骨 骼機(jī)器人（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、一、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 6 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) 神經(jīng)元獲取來自大腦的神經(jīng)信號(hào)， 進(jìn)而移動(dòng)肌與骨骼系統(tǒng)。HAL(混 合輔助肢體)可以探測(cè)到皮膚表面 非常微弱的信號(hào)。動(dòng)力裝置根據(jù)接 收的信號(hào)控制肌肉運(yùn)動(dòng)。 機(jī)甲外骨骼機(jī)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

4、。 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(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)， 可實(shí)現(xiàn)骨骼、肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)之 間的交互作用，所有骨骼和肌肉 均有大腦直接控制。 一、一、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 7 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(jì)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(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠在腿部移動(dòng)和 引力之間實(shí)現(xiàn)一種平衡。 一、一、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

5、 8 機(jī)械結(jié)構(gòu)要全面的分析人體各關(guān) 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) 該考慮： （1）盡量遵循擬人原則，外骨骼各肢 體關(guān)節(jié)等機(jī)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(yùn)動(dòng)形式與人的運(yùn)動(dòng)形式相同，且 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， 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(shí)要具有良好的散熱性能。 目前常用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要 有：液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)和電 機(jī)驅(qū)動(dòng)。 目前外骨骼機(jī)器人主要以蓄 電

6、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 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(jī)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(dòng)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(yùn)動(dòng) 特點(diǎn)。 二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 9 9 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 氣 壓 驅(qū) 動(dòng) 定義：以液體為工作介質(zhì)進(jìn)行能 量傳遞和控制的傳動(dòng)方式。 優(yōu)點(diǎn)：慣性小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可 靠性高，工作穩(wěn)定； 缺點(diǎn)：受壓液體容易泄露

7、，工 作噪聲較大，能源使用效率低， 傳動(dòng)速度低； 代表：美國伯克利分校研制的 主力機(jī)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(dòng)力和進(jìn)行控制的傳動(dòng)方式。 優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無污染， 信號(hào)傳遞迅速且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化； 缺點(diǎn)：動(dòng)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(jī)器人 HAL系列。 定義：以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控 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 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) 液 壓 驅(qū) 動(dòng) 10 sEMG傳感

8、器 光電編碼器力傳感器 外骨骼機(jī)器人外骨骼機(jī)器人 相關(guān)傳感器相關(guān)傳感器 定義：一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的 機(jī)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(cè)裝置組成 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 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(hào)，是指：神 經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進(jìn)行隨意性或非隨意 性活動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)的生物電信號(hào) 特點(diǎn)：信號(hào)形態(tài)具有較大的隨機(jī)性 和不穩(wěn)定性； 優(yōu)點(diǎn)：無創(chuàng)性、實(shí)時(shí)性、多靶點(diǎn)測(cè) 量 肌電信號(hào)可分為：針

9、電極肌電信 號(hào) （NEMG）和表面肌電信號(hào) （sEMG）。 NEMG以針電極為引導(dǎo)電極，將 其插入肌肉內(nèi)部對(duì)動(dòng)作電位進(jìn)行 直接測(cè)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(dòng)的電位 二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 11 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 壓信號(hào)，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(hào)是一種微弱的電信 號(hào)，正常肌肉運(yùn)動(dòng)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(hào)幅 值范圍為：2V-5mV。 sEMG信號(hào)是

10、一種低頻信 號(hào)，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(hào)是一種非平穩(wěn)隨機(jī)信 號(hào)，其統(tǒng)計(jì)學(xué)特性隨時(shí)間的變化而 變化，信號(hào)由強(qiáng)度和傳播方向不同， 在分屬不同運(yùn)動(dòng)單元的肌纖維上傳 播的多個(gè)MUAP在信號(hào)拾取區(qū)域疊 加而成的，這使得測(cè)量具有一定的 隨機(jī)性。 sEMG信 號(hào) 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。 1、sEMG傳感器 二、外骨骼機(jī)器人的

11、關(guān)鍵技術(shù) 12 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(shí)， 他的電阻率會(huì)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(diǎn)：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(dòng)態(tài)測(cè)量 由彈性元件、電阻應(yīng)變片組成 用來測(cè)量力的應(yīng)變式傳感器。優(yōu)點(diǎn)： 1.精度高，測(cè)量范圍廣； 2.使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠，輸 出特性的線性度好；3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 尺寸小，重量輕； 4.響應(yīng)頻率高，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)過程 壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)受 到外力作用，幾何尺寸 發(fā)生變化，物體表面產(chǎn) 生電荷形成

12、電場(chǎng)，當(dāng)外 力消失時(shí)，材料重新恢 復(fù)原狀的現(xiàn)象。 利用彈性變形進(jìn)行測(cè) 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(hào) 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(diǎn)：輸出信號(hào)大，抗干擾性好，過載能力強(qiáng) 2、力傳感器 二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 13 根據(jù)光電編碼器的刻度方法及信號(hào)輸出形式，可將其分為：增量式，絕對(duì)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兩組脈沖相位差90，用于判斷方向 ，Z相位為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn) 定

13、位。 優(yōu)點(diǎn)：原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械壽命長(zhǎng)，抗干擾 能 力強(qiáng)，可靠性高，適合長(zhǎng)距離傳輸 缺點(diǎn)：無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息 絕對(duì)式：利用二進(jìn)制方式進(jìn)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(cè)絕對(duì)位置 。 優(yōu)點(diǎn)：可直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值，沒有累積 誤差，電源切除后，位置信息不會(huì)丟失 缺點(diǎn)：分辨率由二進(jìn)制的位數(shù)來決定，N位二進(jìn) 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(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 14 人體外骨骼機(jī)器人 二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 15 15 Armeo Power Armeo Spring Armeo Boom 理論基礎(chǔ)：

14、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(dòng)作使其進(jìn)行重新構(gòu)造。 四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人 16 16 四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)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 外骨骼的 4 個(gè)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。 四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人 四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人 四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人 由于不可能對(duì)不同的患者一一進(jìn)行精確的建模，

15、我們采用了類似于人機(jī)學(xué)習(xí)觀察器的 自適應(yīng)控制方法來讓機(jī)器學(xué)習(xí)出系統(tǒng)應(yīng)有的動(dòng)力學(xué)模型前饋。這種控制方法使得我們 能夠讓機(jī)器人克服運(yùn)動(dòng)過程中的阻尼來引導(dǎo)患者完成所需要的運(yùn)動(dòng)動(dòng)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(yùn)動(dòng)動(dòng)作。同時(shí)，這種算法也可以同時(shí)識(shí)別出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型， 在運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行前饋補(bǔ)償。 四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人 圖6上圖為運(yùn)動(dòng)的期望軌跡 qr、實(shí)際軌跡 q 和誤差 e。下圖為運(yùn)動(dòng)過程中肘關(guān)節(jié)電機(jī)的 電流。由圖 6 可看出，隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)誤差越來越小，表示算法逐漸學(xué) 習(xí)出了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型，同時(shí)電流

16、維持平穩(wěn)，沒有發(fā)散。 圖7 為一組腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，因?yàn)殛P(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)出了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型，電流維持平穩(wěn)，沒有發(fā)散。 五、外骨骼機(jī)器人的發(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題： 21 l 體積較大，動(dòng)作笨拙 l 環(huán)境的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)的靈活 性較差 l 與操作者的預(yù)期動(dòng)作不吻合 l 不能靈活適應(yīng)不同的操作者 l 移動(dòng)范圍和工作時(shí)間受限 l 尋求新能源技術(shù) l 自適應(yīng)能力較弱 l 自學(xué)習(xí)能力不夠 l 質(zhì)量問題 l 柔性安全 l 噪音問題 l 舒適度問題 1、下肢 外骨骼機(jī)器人應(yīng)具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力 人類的行走存在著“個(gè)性化”差別，而且根據(jù)路況，使用的行走動(dòng)作也 是隨機(jī)的，很難使用一個(gè)固定的模式來描述行走過程，所以很難得到一 個(gè)固定的輸出設(shè)定，而這個(gè)行走動(dòng)作預(yù)設(shè)參數(shù)的設(shè)定卻至關(guān)重要，必須 使用這項(xiàng)參數(shù)來控制各種情況下的動(dòng)作。故下肢外骨骼機(jī)器人未來發(fā)展 最重要的一個(gè)方向就是具有學(xué)習(xí)的能力，也即是：針對(duì)它的每一個(gè)使用 者，“學(xué)習(xí)出”一套最適應(yīng)使用者行走習(xí)慣的運(yùn)動(dòng)模式。 2、下肢外骨骼機(jī)器人必須輕巧和工作效率高 在未來進(jìn)行下肢外骨骼機(jī)器人研制時(shí)，應(yīng)選擇堅(jiān)固、輕型且有彈性 的材質(zhì)，并且外骨骼機(jī)器人應(yīng)具有高度的靈活性，使得使用者穿著作 業(yè)時(shí)感到輕松自在 ，而不是受到約束。另外對(duì)于外骨骼機(jī)器人的動(dòng) 力源，攜帶的能源必須能夠