外骨骼機器人

外骨骼機器人第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四從生物學(xué)的角度上來講，一般是把蝦、蟹、昆蟲等節(jié)肢動物體表堅韌的幾丁質(zhì)的骨骼稱為外骨骼，它有保護和支持作用。有時也指軟體動物的貝殼和棘皮動物石灰質(zhì)的板和棘。節(jié)肢動物的體表覆蓋著堅硬的體壁。體壁由三部分組成：表皮細胞層，基膜和角質(zhì)層。表皮細胞層由一層活細胞組成，它向內(nèi)分泌形成一層薄膜，叫做基膜，向外分泌形成厚的角質(zhì)層。角質(zhì)層除了能防止體內(nèi)水分蒸發(fā)和保護內(nèi)部構(gòu)造外，還能與內(nèi)壁所附著的肌肉共同完成各種運動，跟脊椎動物體內(nèi)的骨骼有相似的作用，因此被叫做外骨骼。第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四《鋼鐵俠》中的可穿戴裝甲第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四電影《阿凡達》中的機甲戰(zhàn)士第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四《未來警察》中的人形裝甲第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四電影《特種部隊之眼鏡蛇的崛起》中的加速裝甲第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四外骨骼機器人概念：外骨骼本指昆蟲或甲殼類動物身體外表的骨骼，具有支撐和保護作用，而軍工企業(yè)卻因此受到啟發(fā)，根據(jù)仿生學(xué)原理，利用特殊材料制成機械化裝置套在士兵身體上，以增強士兵的負重、機動和打擊能力。一旦佩戴外骨骼機器人，將成為一名“超級”士兵，力量將放大10幾倍，可攜載更多的武器裝備，武器威力增強，防護水平提高，同時可克服任何障礙，高速前進，不會讓士兵產(chǎn)生疲勞感。第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四外骨骼機器人的設(shè)計要求：1、可穿戴性：外骨骼要具有良好的可穿戴性。不需要經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練即可非常容易、順利而快速地穿脫。2、可調(diào)節(jié)性：外骨骼應(yīng)能適應(yīng)各種身材的士兵穿著，其長度及寬度方向都應(yīng)能調(diào)節(jié)以適應(yīng)高、矮、胖、瘦不同的士兵。3、相互干擾小：盡量減小對人體數(shù)據(jù)的測量，減小人與外骨骼的直接接觸面，減小之間的相互干擾，從而減小對人體各方面的限制。4、輕巧：要求外骨骼盡量輕巧、舒適，減小總體質(zhì)量，節(jié)省能源。第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四5、魯棒性：包括以下幾個方面：①外骨骼材料要堅固使其能足以負擔重物。②各執(zhí)行機構(gòu)與控制算法要有好的性能，確保外骨骼各項功能準確、可靠、及時地實現(xiàn)。③機構(gòu)強度要足以應(yīng)付士兵的任何戰(zhàn)術(shù)動作帶來的沖擊載荷。6、柔順、舒適性：下肢外骨骼的運動與人腿的運動要具有很好的協(xié)調(diào)性。其結(jié)構(gòu)、自由度的配置要與人體結(jié)構(gòu)與自由度相匹配。使穿著者感覺柔順自然，不會有大的干擾，外骨骼腳落地時的沖擊要小，盡量讓穿著者感覺舒適。7、待機時間：要保證能長時間地提供外骨骼運動的能源供應(yīng)，能源裝置要盡量的輕便，確保士兵長距離行軍。8、降低成本：在能夠?qū)崿F(xiàn)功能的情況下盡量降低產(chǎn)品成本。第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四外骨骼機器人的設(shè)計結(jié)構(gòu)外骨骼機器人在人的控制下負重行走,人提供思維、判斷、決策和控制能力;外骨骼發(fā)揮其強勁的承載能力,人機合一,協(xié)調(diào)合作,共同完成行軍、偵察、單兵作戰(zhàn)等任務(wù)。因此,它包括外骨骼腳、行走跨步的兩條腿、實現(xiàn)轉(zhuǎn)身的腰部、托放行李的后背架,以及能量控制單元等部分(右圖為下肢外骨骼總體結(jié)構(gòu))。第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四外骨骼設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四外骨骼機器機器人系統(tǒng)下肢控制原理：其機械結(jié)構(gòu)由與人類同步行走的兩條金屬的腿、將重力傳遞到地面的腳、能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)身動作的腰部以及放置重物的后背托架四部分組成，其中包括傳感、動力輸出裝置及執(zhí)行元件、控制系統(tǒng)以及能源系統(tǒng)等都是實現(xiàn)外骨骼與士兵共同完成負重行軍任務(wù)所不可缺少的。第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四外骨骼系統(tǒng)工作原理裝備外骨骼的士兵在此套系統(tǒng)的幫助下能夠輕松實現(xiàn)負重長途行軍，跋涉于車輛不易行駛的路面，完成偵察、作戰(zhàn)等任務(wù)。外骨骼與士兵人機合一，人提供智慧，外骨骼提供承載能力，即所謂的“人在回路中”，充分發(fā)揮人與機器各自的優(yōu)勢。外骨骼全身布置了傳感器，通過安裝在各部位的傳感器獲得各項數(shù)據(jù)（包括各種能量及角度以及扭矩等）并傳遞到中央控制處理器，中央控制處理器經(jīng)過計算來調(diào)整外骨骼的動作，通過驅(qū)動裝置使其完成與士兵相同的一系列下肢動作。下肢外骨骼工作原理如下圖：第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四外骨骼控制方法外骨骼機器人和其他機器人的最大區(qū)別在于它的操作者是人，而不是機器，操作者處于回路中，即“人在回路中（ManinLoop）”，操作者與外骨骼具有實實在在的物理接觸，形成了一個人機耦合的一體化系統(tǒng)。人機耦合系統(tǒng)的控制目的是使人和機器能夠協(xié)調(diào)地工作。現(xiàn)在世界各國研制的外骨骼機器人控制方法如下：第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四1、操作者控制有些外骨骼中是用于康復(fù)中心的，它有外部能源驅(qū)動的步態(tài)矯正裝置。這些裝置主要是下肢外骨骼，用于支撐重量，對操作者進行下肢康復(fù)訓(xùn)練。這些裝置的命令信號一般來自于健康的肢體。例如，由Yano設(shè)計的外骨骼中使用了一個開關(guān)和地面反作用力傳感器，通過操作者的控制，驅(qū)動髖關(guān)節(jié)運動，改變腳底離開地面的距離。這種方法的缺點是，操作者的上肢只能用來發(fā)布命令，而不能進行其他的活動，并且操作者必須連續(xù)不停地發(fā)布命令，不僅浪費了體力，而且操作者的運動也變得很不自然。第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四2、肌電控制1851年法國科學(xué)家Dubois-Reymond首次提出肌肉傳感的問題，如今，肌電信號（electromyograms，EMGs）模型已經(jīng)從線性模型發(fā)展到非線性模型，廣泛應(yīng)用到肌電傳感器的設(shè)計和應(yīng)用中。Rosen研究了基于EMG信號驅(qū)動的手臂外骨骼系統(tǒng)。試驗表明操作者可以用很小的力就可以操作外部負載。下肢外骨骼中最成功的應(yīng)用EMG信號的是日本的HAL，HAL采用EMG信號來辨識人的運動意識，它考慮了人腿具有的粘性特性和彈性特性，基于阻抗控制方法研究了HAL的粘性特性的控制，對肌肉的粘彈性特性進行了深入的分析，使得穿上HAL的操作者運動起來感覺非常舒適。肌電傳感有其自身的優(yōu)點和缺點。傳感器每次都要貼到人體表面，使用不方便。第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3、預(yù)編程控制有些外骨骼裝置通過預(yù)先編好的程序來運行，操作者只能進行有限的干預(yù)。下肢運動矯正裝置用來幫助癱瘓者恢復(fù)運動能力。裝置的運動軌跡是預(yù)先編程設(shè)計好的，設(shè)計時根據(jù)正常人的運動步態(tài)來設(shè)計并有所改動以適應(yīng)于矯正裝置。有源步態(tài)矯正裝置是針對那些腿部受到物理損傷的患者設(shè)計的，通過預(yù)先編好的程序，控制機械關(guān)節(jié)模擬正常人的行走步態(tài)，帶動患者運動，幫助患者進行行走訓(xùn)練的康復(fù)裝置設(shè)計了一些預(yù)先編好程序的運動，同時，通過安裝在腳底的力傳感器來計算應(yīng)該分配在每個關(guān)節(jié)上的力矩。Colombo的步態(tài)矯正器同樣是一個位置控制裝置，程序控制參數(shù)（如步幅、速度）可以根據(jù)患者的不同進行調(diào)節(jié)。所有這些基于程序控制的康復(fù)矯正裝置都需要患者使用手杖或者額外的輔助框架來保持操作者行走的穩(wěn)定，而且現(xiàn)的運動形式也十分有限。第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四4、主從控制主從控制一般用于遠程機器人操作系統(tǒng)，目的是令遠方的機器模擬操作者的動作。為了能連續(xù)不斷地捕獲人體的運動，操作者必須穿戴一套主外骨骼裝置。這種方法的目標是通過反饋，控制機器的關(guān)節(jié)角度跟蹤相應(yīng)的人體的關(guān)節(jié)角度。這種控制方法不僅要控制終端的位置和方向，而且要控制整個裝置的姿態(tài)。Hardiman采用的就是主從控制方法，具有30個自由度，用于增強人的負荷能力。內(nèi)部的外骨骼是“主”，由操作者控制，為外部的“從”外骨骼提供命令。在主從控制方法中，人必須能從初始位置移動到一個期望的位置才能帶動外骨骼運動。因此，必須有兩個外骨骼：一個是主外骨骼，穿戴在人身上用于記錄人的關(guān)節(jié)角度和肢體環(huán)節(jié)的位置和方向；一個是外部的從外骨骼，用來模仿人的運動，同時背負負荷。使得系統(tǒng)的設(shè)計變得相當復(fù)雜。第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四5、直接力反饋控制在機器人力控制系統(tǒng)中可以采用力傳感器的反饋信息將機器與其周圍環(huán)境之間的力維持在一個預(yù)先定義的水平。在外骨骼系統(tǒng)中，操作者和外骨骼之間的力也可以被控制，使操作者不會感受到外骨骼的存在。Kazerooni和Hayashibara分別采用了直接力反饋控制方法來控制用于增強人的舉重能力的上肢能量輔助臂。控制的目標不是控制人和機器在接觸點上的力達到一個預(yù)先設(shè)定的值，而是控制人施加在負荷上的力成比例的減小。在這種控制方法中，機器用來承載負荷，人則感受到一個成比例下降的負荷。在力反饋控制方法中，人和機器的所有接觸點都必須通過力傳感器來測量，但實際上卻很難實現(xiàn)，因此，力傳感器的安裝數(shù)量和位置就必須經(jīng)過仔細驗證。例如，傳感器的數(shù)量必須要大于或者等于外骨骼的最大自由度數(shù)。傳感器的安裝位置應(yīng)該是人們習慣于感受接觸力的部位。第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四6、地面反作用力控制廣義的地面反作用力（GRF）控制是一種區(qū)別于傳統(tǒng)的機器人控制方法的控制策略（作用在一點上的廣義力包含作用在這個點上的力和通過這個點作用在環(huán)節(jié)上的力矩）。從直觀上來說，在步態(tài)過程中，除了重力之外，GRF是惟一一個作用在人身上的外力和力矩，并且這個廣義力是在運動過程中推動系統(tǒng)質(zhì)心移動的惟一力。這使我們聯(lián)想到是否可以通過控制外骨骼的GRF來控制外骨骼。由于外骨骼的質(zhì)量特性與人的質(zhì)量特性相似，所以如果外骨骼的地面反作用力與人的地面反作用力相似，則外骨骼就可以與人同步行走。應(yīng)用GRF控制律必須測量人的地面反作用力和外骨骼的地面反作用力。且系統(tǒng)所有的運動特性都需要被測量，并且必須精確的知道人和外骨骼的動態(tài)模型，這些都是比較困難的。第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四7、ZMP控制新加坡南洋理工大學(xué)采用下肢軌跡跟蹤和零力矩點ZMP（ZeroMomentPoint）控制的方法設(shè)計了一套下肢能量增強外骨骼。通過在人腿上安裝的角度傳感器測量人體的位置信號，控制外骨骼的腿跟蹤人腿的運動軌跡，然后，通過控制外骨骼的ZMP保持外骨骼的穩(wěn)定。在行走過程中，只有ZMP的軌跡保持在支撐區(qū)域，才能保持步態(tài)的穩(wěn)定。在一個完整的步態(tài)中，處于單支撐階段時，支撐腳的GCP就是外骨骼的ZMP，在雙支撐階段時，ZMP的位置是兩個支撐腳的位置的函數(shù)。在控制過程中通過測量人的ZMP，作為外骨骼的ZMP的參考輸入，控制外骨骼的ZMP跟蹤人的ZMP。一旦外骨骼的ZMP的偏離人的ZMP，就通過髖關(guān)節(jié)處的驅(qū)動器，控制外骨骼的軀干對外骨骼的ZMP進行補償，保持其與人的ZMP的一致。缺點是，必須在人體上安裝角度傳感器，作為外骨骼的位置參考，使用起來不方便。第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四8、靈敏度放大控制傳統(tǒng)的骨骼服機器人需要在操作者和骨骼服之間安置大量的傳感器來測量人機之間的交互信息，大大降低了操作者的舒適度。靈敏度放大控制（SensitivityAmplificationControl，SAC）方法則不需要在人機之間安裝任何傳感器，同時又能控制骨骼服跟隨操作者的運動。該方法中，將人施加的力到外骨骼輸出的傳遞函數(shù)定義為靈敏度函數(shù)，控制的目標就是通過控制器的設(shè)計使得該靈敏度函數(shù)最大化，則可以實現(xiàn)用很小的力就能改變外骨骼的位置。但是，靈敏度控制方法嚴格依賴于系統(tǒng)的動態(tài)模型，而骨骼服是一個多剛體、多自由度的非線性系統(tǒng)，想要建立其準確的數(shù)學(xué)模型十分困難。第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四起源：外骨骼機器人的技術(shù)起源于美國1966年的哈德曼助力機器人的設(shè)想及研發(fā)。但是直到今天這項技術(shù)仍處于研發(fā)階段，并沒有裝備軍隊。其中有些技術(shù)還沒有完善。例如：能源供給裝置以及高度符合人體動作的復(fù)雜、敏捷及準確要求的控制系統(tǒng)和力的傳遞裝置等。目前世界各國都在大力研發(fā)和試驗該項技術(shù)。第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四世界各國外骨骼的發(fā)展狀況勇士-21外骨骼系統(tǒng)，是俄羅斯可穿戴式外骨骼機械作戰(zhàn)服。2009年10月27日，俄國防部第3中央研究所所長弗拉基米爾·博伊科宣布，他們將斥資3500萬美元在2015年前開發(fā)出“勇士-21”可穿戴式外骨骼機械作戰(zhàn)服，它能讓步兵在攜帶重物的情況下高速飛奔，在動力耗盡時快速脫下。這將有效提高傳統(tǒng)步兵的戰(zhàn)斗力，并給俄陸軍帶來革命性轉(zhuǎn)變。第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四XOS外骨骼系統(tǒng)是SteveJacobsen博士的得意之作，是為了創(chuàng)造出超人的士兵，而由美國國防部高等研究計劃局提供了1000萬美元的軍事研究預(yù)算，經(jīng)過7年秘密研發(fā)出來的，代表了機械外骨骼領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。這項研究在高級研究計劃署的資金支持下開始迅速發(fā)展。XOS的控制思想同伯克利低位肢體外骨骼(BLEEX)一樣，控制系統(tǒng)通過檢測系統(tǒng)和微機系統(tǒng)判斷人的下個動作，從而決定加給人體多大的助力及速度，并且也是通過液壓系統(tǒng)將力傳給外骨骼機構(gòu)，但它是全身武裝的外骨骼，利用附在身體上的傳感器，可以毫不延遲地反應(yīng)身體的動作，輸出強大的力量。但目前“XOS”有一個重大缺陷，就是XOS還要拖著一條電線才行，而自帶的電池只能使用40分鐘，如果解決這個問題，相信很快就可以實用化。第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四HULC外骨骼機器人：美國防務(wù)巨頭洛克希德·馬丁公司測試新一代“人類負重外骨骼”（HULC）系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種模仿人體結(jié)構(gòu)特點設(shè)計的外穿型機械骨骼，內(nèi)部配備有液壓傳動裝置和可像關(guān)節(jié)一樣彎曲的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不但能夠直立行進，還可完成下蹲和匍匐等多種相對復(fù)雜的動作。動力源為兩塊總重量3.6公斤的鋰聚合物電池,充滿電后可保證穿著者以4.8公里/小時的速度背負90公斤重物持續(xù)行進一個小時。而穿著外骨骼的奔跑沖刺速度可達到16公里/小時。HULC裝備有更加先進的軟件、并采用適用度更廣的設(shè)計。這種外骨骼系統(tǒng)可配備不同型號的裝甲鋼板、制冷/加熱系統(tǒng)和傳感器。性能先進，但HULC系統(tǒng)的控制并不復(fù)雜，先進的便攜式微型計算機可以讓這種外骨骼與士兵們的運動保持協(xié)調(diào)一致。第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四大力神可穿戴式外骨骼該項目由法國武器裝備總署制定，這種外骨骼能夠輔助士兵增強其在戰(zhàn)場上的負重能力和持久作戰(zhàn)能力。獨特之處在於不採用無線電控制，系統(tǒng)能夠自動探測到肢體運動，隨後根據(jù)支持意圖代替穿戴者執(zhí)行這一動作。與其他競爭項目不同的是，大力神外骨骼採用專利技術(shù)，具備出色的性能，使用者可攜帶100千克重物，其電池可使穿戴者以4千米/小時的速度行進大約20千米。該外骨骼的應(yīng)用範圍廣泛，包括：幫助消防隊員、特種部隊和步兵將重物運送至指定地區(qū)；在醫(yī)療領(lǐng)域為殘疾患者提供幫助；在建築和後勤領(lǐng)域用於運送重物。第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四救援機器人T52EnryuT52Enryu重量近5噸，身高達到3米。它非常強勁，可以幫助救援人員清理路面上的碎片。T52Enryu可以在任何災(zāi)害的救援工作中派上用場，例如地震。它靠液壓驅(qū)動，也被稱之為“超級救援機器人”，能舉起近1噸的重物，機械臂則可以完成所有類型的動作。T52由日本公司Tmsuk于1994年3月設(shè)計，而后在長岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)接受測試。測試中，它成功從雪堆上舉起一輛汽車。第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四ＨＡＬ外骨骼機器人套裝日本筑波大學(xué)Cybernics實驗室，總部位于東京東北部，以研發(fā)機器人為主要業(yè)務(wù)。先前，它推出過一款幫助人行走的外骨骼機器人套裝，2011年11月７日推出升級款“混合協(xié)助肢”，即ＨＡＬ。一份企業(yè)聲明說，這一套裝可以幫助核能工作人員更輕松地行走、工作，后者在強輻射環(huán)境下往往需要身穿６０公斤重的鎢材料防輻射服。這款套裝中的傳感器可以監(jiān)測人體大腦傳遞給肌肉的電信號，從而預(yù)見和支持人體的行動。“新款ＨＡＬ機器人套裝可以承受鎢材料防輻射服的重量，幫助穿著者在不感覺到負擔的狀況下工作，降低在