外骨骼康復機器人研究現(xiàn)狀及關鍵技術課件

外骨骼康復機器人研究現(xiàn)狀及關鍵技術2022/11/8可穿戴式康復外骨骼機器人3外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀312外骨骼機器人的關鍵技術主要內容外骨骼機器人的發(fā)展趁勢42022/11/82定義

外骨骼機器人：是一種結合了人的智能、機械動力裝置和機械能量的人機結合的可穿戴設備。按結構可將外骨骼機器人分為上肢、下肢、全身及各類關節(jié)機器人。應用一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2022/11/8

被謀殺的教授步行輔助設備，由美國弗吉尼亞理工大學的凱文·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身體機能，少肌癥可導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)設計的伯克利·布里克外骨骼機器人（BLEEX），可以幫助士兵，營救人員以及其他應急人員輕松攜帶各種設備。一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2022/11/8

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)，肌肉通過運動神經元獲取來自大腦的神經信號，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神經力學實驗室設計，可實現(xiàn)骨骼、肌肉與神經系統(tǒng)之間的交互作用，所有骨骼和肌肉均有大腦直接控制。一、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2022/11/8

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。借助于這種設備，輕偏癱患者可以重獲力量和控制能力。可以進行調節(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2022/11/8機械結構要全面的分析人體各關節(jié)的運動范圍和運動特點，設計時，應該考慮：（1）盡量遵循擬人原則，外骨骼各肢體關節(jié)等機械形狀和尺寸參照人體（GB1000-88）；（2）外骨骼各關節(jié)如：膝、髖、踝關節(jié)，自由度要考慮到人體相應關節(jié)，確保其運動形式與人的運動形式相同，且各關節(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。目前常用的設備驅動主要有：液壓驅動，氣壓驅動和電機驅動。目前外骨骼機器人主要以蓄電池供電，移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鍵問題。

未來可以尋求新能源技術，包括：太陽能，生物能，解決能源發(fā)展的技術瓶頸。

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確的響應人體的各種動作，還要考慮外骨骼與不同操作者之間的默契，即需要有一定的學習能力，以適應不同操作者的運動特點。二、外骨骼機器人的關鍵技術2022/11/8sEMG傳感器光電編碼器力傳感器外骨骼機器人相關傳感器定義：一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移轉換為脈沖或者數(shù)字量的傳感器結構：由光柵盤和光電檢測裝置組成定義：將力信號轉變?yōu)殡娦盘栞敵龅碾娮釉Y構：由力敏元件、轉換元件和電路組成分類：彈性敏感元件

應變式力傳感器

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，經皮膚表面電極引導、放大、顯示并記錄下神經肌肉系統(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：針電極肌電信號（NEMG）和表面肌電信號（sEMG）。NEMG以針電極為引導電極，將其插入肌肉內部對動作電位進行直接測量；sEMG以表面電極為引導電極，將其安置在皮膚表面拾取肌肉活動的電位二、外骨骼機器人的關鍵技術2022/11/8壓電式力傳感器彈性敏感元件應變式力傳感器壓磁式力傳感器力傳感器壓阻效應：半導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。其靈敏度比金屬應變片高50-100倍。優(yōu)點：1.分辨率高，尺寸小2.橫向效應小，滯后和蠕變小3.響應頻率高，適合動態(tài)測量

由彈性元件、電阻應變片組成用來測量力的應變式傳感器。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.結構簡單，尺寸小，重量輕；4.響應頻率高，適合測量動態(tài)過程

壓電效應：某些物質受到外力作用，幾何尺寸發(fā)生變化，物體表面產生電荷形成電場，當外力消失時，材料重新恢復原狀的現(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，輸出應變或者位移，再由傳感器將其轉換為電信號輸出。如：彈簧、波紋管壓阻式力傳感器

壓磁效應：一些鐵磁材料在受到外力作用后，其內部產生應力，引起鐵磁材料磁導率變化的現(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、外骨骼機器人的關鍵技術2022/11/8人體外骨骼機器人二、外骨骼機器人的關鍵技術2022/11/8ArmeoPowerArmeoSpringArmeoBoom

理論基礎：研究表明：許多中風、腦外傷及其他神經系統(tǒng)疾病或骨骼損傷患者，其腦部仍具有殘余的神經肌肉支配能力，并可以通過密集的、重復的帶有任務的動作使其進行重新構造。四、可穿戴式康復外骨骼機器人2022/11/815四、可穿戴式康復外骨骼機器人上肢5自由度為：(1)肩關節(jié)側展自由度；(2)肩關節(jié)屈伸自由度；肘關節(jié)屈伸自由度；前臂旋轉自由度；手腕屈伸自由度。下肢外骨骼的4個自由度為：髖關節(jié)側展自由度；髖關節(jié)屈伸自由度；膝關節(jié)屈伸自由度；踝關節(jié)屈伸自由度。2022/11/816四、可穿戴式康復外骨骼機器人四、可穿戴式康復外骨骼機器人四、可穿戴式康復外骨骼機器人圖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節(jié)電機的電流。由圖6可看出，隨著運動的進行，肘關節(jié)的運動誤差越來越小，表示算法逐漸學習出了系統(tǒng)的運動模型，同時電流維持平穩(wěn)，沒有發(fā)散。圖7為一組腕關節(jié)的運動軌跡圖，因為關節(jié)本身受力較小，所以初始誤差較肘關節(jié)更小。算法同樣逐漸學習出了系統(tǒng)的運動模型，電流維持平穩(wěn)，沒有發(fā)散。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：21體積較大，動作笨拙環(huán)境的適應性和運動的靈活性較差

與操作者的預期動作不吻合不能靈活適應不同的操作者

移動范圍和工作時間受限尋求新能源技術自適應能力較弱自學習能力不夠

質量問題柔性安全噪音問題

舒適度問題3、下肢外骨骼機器人