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1、助行外骨骼機器人 主要內(nèi)容助 行 外 骨 骼 機 器 人 簡 介發(fā) 展 應(yīng) 用 現(xiàn) 狀關(guān) 鍵 技 術(shù)發(fā) 展 趨 勢結(jié) 論 外骨骼機器人外 骨 骼 機 器 人 ： 外 骨 骼 機 器 人 是 一 種 人 工 外 骨 骼 ， 也 是 一 種 機 械 機 構(gòu) ， 能 穿 戴 在 人體 外 部 ， 可 以 給 人 提 供 保 護(hù) 、 額 外 的 動 力 和 能 力 ， 增 強 人 體 機 能 ， 使 得操 作 者 能 輕 松 地 完 成 很 多 艱 難 的 活 動 和 任 務(wù) 。 助行外骨骼機器人 助 行 外 骨 骼 機 器 人 是 下 肢 外 骨 骼 機 器 人 ， 屬 于 外 骨 骼 機器 人 的

2、 一 種 ， 也 是 應(yīng) 用 最 為 廣 泛 的 一 種 。 目 前 的 助 行 外 骨 骼 機 器 人 系 統(tǒng) 的 研 制 和 應(yīng) 用 可 以 分 為 民用 和 軍 用 兩 大 類 。 民 用 方 面 的 外 骨 骼 機 器 人 系 統(tǒng) 主 要 用 于 輔 助 殘 疾 人 、 老年 人 和 喪 失 部 分 運 動 能 力 的 病 人 行 走 ； 軍 用 方 面 的 外 骨 骼 機器 人 系 統(tǒng) 主 要 用 來 增 強 普 通 士 兵 的 能 力 ， 可 以 讓 普 通 士 兵 成為 在 負(fù) 重 較 大 的 情 況 下 依 舊 可 以 跳 過 較 高 物 體 和 快 速 奔 跑 的超 級 士

3、兵 。 助行外骨骼機器人發(fā)展應(yīng)用 外 骨 骼 下 肢 助 行 機 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 家 展 開 ， 最 初 的 外 骨 骼 助 力 機 器 人分 別 在 兩 個 地 點 幾 乎 同 時 產(chǎn) 生 ， 分 別 是 美國 和 南 斯 拉 夫 ， 美 國 研 究 這 技 術(shù) 的 最 初 目的 是 增 強 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 輔 助 殘 障 人 。 上 述 兩 個 項 目 都 以 失 敗 告 終 ， 下 肢 外骨 骼 機 器 人

4、的 研 究 在 其 后 經(jīng) 過 一 段 時 間 陷入 沉 寂 。 但 到 世 紀(jì) 末 , 下 肢 外 骨 骼 機 器 人又 重 新 得 到 世 界 各 國 的 關(guān) 注 ,世 界 上 很 多 國 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 。 “ 哈 迪 曼 ” 由 30 個 水 壓 力 動 力 源和 伺 服 隨 動 鉸 鏈 組 成 ， 體 積 巨 大 ， 重約 680 公 斤 ， 具 有 30 個 自 由 度 ， 為上 肢 和 下 肢 提 供 助 力 幫 助 ， 控 制 系 統(tǒng)采 用 主 -從

5、 控 制 模 式 ， 最 終 能 夠 將 四 肢的 力 量 放 大 25 倍 。 1978 年 ， 美 國 麻 省 理 工 學(xué) 院 研 究 出 “ 被 動 式外 骨 骼 助 力 機 器 人 ” 。 MIT的 外 骨 骼 下 肢 助 力 機 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 自 由 度 ， 膝 關(guān) 節(jié) 1 個 自 由 度 。穿 戴 者 與 機 器 人 在 肩 膀 、 腕 關(guān) 節(jié) 、 大 腿 和 腳 部 連 接 ，機 器 人 總 重 量

6、 是 11.7Kg。 驅(qū) 動 方 式 不 采 用 電 力 驅(qū) 動 ， 只 利 用 彈 簧 儲 能 和變 阻 尼 器 驅(qū) 動 關(guān) 節(jié) 驅(qū) 動 。 髖 關(guān) 節(jié) 伸 /屈 運 動 時 ， 伸運 動 時 彈 簧 釋 放 能 量 ， 屈 運 動 時 彈 簧 儲 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 地 面 的 沖 力 。 傳 感 器 系 統(tǒng) 是 由 安 裝 在 外骨 骼 下 肢 助 力 機 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 組 成 。 2004年 ，

7、加 州 大 學(xué) 伯 克 利 分 校 的 下 肢 外骨 骼 機 器 人 BLEEX。 由 一 個 用 于 負(fù) 重 的 背 包 式外 架 、 兩 條 動 力 驅(qū) 動 的 仿 生 金 屬 腿 及 相 應(yīng) 動力 設(shè) 備 組 成 , 使 用 背 包 中 的 液 壓 傳 動 系 統(tǒng) 和箱 式 微 型 空 速 傳 感 儀 作 為 液 壓 泵 的 能 量 來 源 , 以 全 面 增 強 人 體 機 能 。 BLEEX的 每 條 腿 具 有 個 7自 由 度 (髖 關(guān) 節(jié) 3個 , 膝 關(guān) 節(jié) 1個 ,踝 關(guān) 節(jié) 3個 ） ,在 該 裝 置 中 總共 有 40多 個 傳 感 器 以 及 液 壓 驅(qū) 動 器 ,

8、它 們 組成 了 一 個 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 有 負(fù) 重 的 情 況 下 ,能 以 的 1.3m/s速 度 行 走 。 目 前 ,洛 克 希 德 馬 丁 公 司 和 伯 克 利分 校 共 同 研 制 了 新 一 代 外 骨 骼 機 器 人 HULC, 這 款 新 型 外 骨 骼 繼 承 了 BLEEX的 優(yōu) 點 , 對一 些 液 壓 傳 動 裝 置 和 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 了 優(yōu) 化 設(shè) 計 , 不 但 能 夠 直 立 行 進(jìn) , 還 可 完 成 下 蹲 和 甸 甸等

9、 多 種 相 對 復(fù) 雜 的 動 作 , 穿 上 后 能 夠 明 顯降 低 人 體 對 氧 氣 的 消 耗 量 。 在 一 次 充 滿 電 后 , 可 保 證 穿 著 者 以4.8km/h的 速 度 背 負(fù) 90kg重 物 持 續(xù) 行 進(jìn) 一個 小 時 。 而 穿 著 HULC的 沖 刺 速 度 則 可 達(dá) 到16km/h。 HULC穿 戴 起 來 也 非 常 方 便 , 士 兵只 需 將 腿 伸 進(jìn) 靴 子 下 方 的 足 床 , 然 后 用 皮帶 綁 住 腿 部 、 腰 部 以 及 肩 部 即 可 ,完 全 脫下 需 30秒 的 時 間 . 美 國 薩 克 斯 公 司 完 成 的 第 一

10、款 外 骨 骼 機 器 人是 WEAR。 2008年 4月 , 成 功 研 制 出 外 骨 骼 機 器 人 XOS, 如 圖 所 示 。 外 骨 骼 機 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 作 , 輸 出 強 大 的 力 量 。 當(dāng) 穿上 XOS時 , 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 重 大 缺 陷 , 就是 利 用 自 帶 的 電 池 只 能 使 用 40分

11、 鐘 。 WEAR XOS外 骨 骼 機 器 人 2005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 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 器 人 是 全 身 式 的 外 骨 骼 助 力機 器 人 ， 髖 關(guān) 節(jié) 和 膝 關(guān) 節(jié) 處 通 過 鉸 鏈 連接 并 只 有 1個 自 由 度 ， 利 用 諧 波 直 流 電 機驅(qū) 動 ， 踝 關(guān) 節(jié) 是 被 動 的 。 HAL系 列 的 助 行 外 骨 骼 機 器 人 是 通 過分 析

12、 人 體 表 皮 肌 電 信 號 進(jìn) 行 控 制 的 。 它擁 有 兩 個 控 制 系 統(tǒng) ： 一 個 是 以 肌 電 信 號為 基 礎(chǔ) 的 系 統(tǒng) ， 一 個 是 以 步 行 模 式 為 基礎(chǔ) 的 系 統(tǒng) 。 通 過 分 析 這 兩 個 系 統(tǒng) 來 判 斷使 用 者 的 運 動 意 圖 。 2000年 ， 神 奈 川 理 工 學(xué) 院 研制 的 全 身 式 外 骨 骼 機 器 人 主 要 用于 護(hù) 士 搬 運 和 移 動 病 人 等 工 作 ，該 機 器 人 可 以 輕 松 的 搬 運 85kg的病 人 。 機 器 人 是 由 肩 部 ， 手 臂 ，后 背 ， 腕 部 和 腿 部 機 械 單

13、元 組 成的 。 它 的 驅(qū) 動 器 采 用 設(shè) 置 在 肩 部 、腕 部 和 腿 部 微 型 旋 轉(zhuǎn) 氣 動 驅(qū) 動 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 械 單 元 一 旦 發(fā) 生 運動 ， 這 運 動 將 被 肌 肉 傳 感 器 檢 測到 ， 力 度 的 不 同 由 稱 重 傳 感 器 的觸 頭 檢 測 到 ， 并 由 氣 動 驅(qū) 動 器 驅(qū)動 關(guān) 節(jié) 跟 隨 運 動 。 以 色 列 埃 爾 格 醫(yī) 學(xué) 技 術(shù) 公 司 研 發(fā) 外 骨 骼 助 行 機 器 人 Rewalk，總 重 18Kg， 運

14、 動 速 度 是 1Km/h， 能 夠 連 續(xù) 工 作 8 小 時 。 它 可以 完 成 行 走 、 站 立 、 坐 下 、 爬 樓 梯 ， 上 坡 和 下 坡 等 動 作 。 本 田 電 機 公 司 2008年 研 制 了 一 款 步 行 助 力 機 器 人 “ Walking assist” 總 重 2Kg的 助 行 機 器 人 有 兩 個 電 機 驅(qū) 動 ， 能 夠 連 續(xù) 工作 2小 時 ， 步 行 速 度 達(dá) 到 4.5km/h， 它 可 以 幫 助 單 腿 受 到 損 傷 的穿 戴 者 。 Rewalk Walking assist 韓 國 西 江 大 學(xué) 研 制 的 外 骨 骼

15、助行 機 器 人 。 該 外 骨 骼 結(jié) 構(gòu) 上 的 顯 著特 點 是 整 個 裝 置 由 外 骨 骼 和 手 推 車兩 個 部 分 組 成 。 所 有 的 驅(qū) 動 元 件 ,包括 電 池 、 電 機 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 電 信 號 的 肌纖 維 膨 脹 信 號 , 利 用 綁 在 大 腿 和 小 腿上 的 氣 囊 內(nèi) 的 氣 體 的 壓 力 變 化 來 測得 , 而 在 人 腿 自 由 擺 動 , 肌 纖 維 不 膨脹 時 , 則 利 用 關(guān) 節(jié) 處 的 角 度 傳 感 器 的信 號 來 觸 發(fā) 驅(qū)

16、 動 器 的 動 作 。 美 國 芝 加 哥 康 復(fù) 研 究 所 的 外 骨 骼 機 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 組 成 。 通 過 直 接 安 裝 在 動 力 裝 置 上 的 力 轉(zhuǎn) 換 器 增 加 了 測 量 患 者活 動 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 。 國 內(nèi) 對 外 骨 骼 下 肢 助 力 機 器 人 的 研 究 開 始 與 20

17、世 紀(jì) 初 ， 目前 外 骨 骼 下 肢 助 行 機 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 器 人 ， 具 有 10個 自 由 度 ，系 統(tǒng) 利 用 表 皮 肌 電 信 號 分 析 穿 戴 者 的 運 動 意 圖 。 浙 江 大 學(xué) 研 制 出 了 多 自 由 度 下 肢 外 骨 骼 助 行 機 器 人 ， 驅(qū) 動 器使 用 氣 動 驅(qū) 動 ， 髖 關(guān) 節(jié) 和 膝 關(guān) 節(jié) 驅(qū) 動 器 為 圓 形 氣 缸 。 它 可 以 將 足底 壓 力 信 號 和 氣 缸 的 位 移 控 制 信 號 直 接 關(guān) 聯(lián) 起 來 ， 能

18、夠 較 好 的 判斷 穿 戴 者 的 運 動 意 圖 。 上 海 大 學(xué) 研 制 一 種 下 肢 康 復(fù) 訓(xùn) 練 機 器 人 ， 由 外 骨 骼 助 行 器 ，減 重 機 構(gòu) 和 跑 步 機 構(gòu) 成 。 髖 關(guān) 節(jié) 、 膝 關(guān) 節(jié) 、 踝 關(guān) 節(jié) 各 一 個 自 由度 ， 共 六 個 自 由 度 實 現(xiàn) 在 矢 狀 面 內(nèi) 運 動 ， 通 過 反 復(fù) 的 訓(xùn) 練 來 幫助 患 者 逐 步 恢 復(fù) 行 走 能 力 關(guān)鍵技術(shù)1.助 行 外 骨 骼 機 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 的 重 要 依 據(jù) 和 工 具

19、。 由于 人 體 下 肢 外 骨 骼 跟 隨 人 體 下 肢 一 起 運 動 ,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 作 ,與人 體 下 肢 具 有 相 同 的 自 由 度 和 運 動 形 式 。 因 此 ,分 析 人 體 下 肢自 由 度 、 研 究 人 體 步 態(tài) 是 設(shè) 計 下 肢 外 骨 骼 實 現(xiàn) 行 走 的 基 礎(chǔ) 。2.助 行 外 骨 骼 機 器 人 多 傳 感 器 的 選 擇 與 信 息 融 合 傳 感 器 是 實 現(xiàn) 自 動 控 制 的 首 要 環(huán) 節(jié) 。 下 肢 外 骨 骼 機 器 人

20、的 傳 感 器 就 如 同 人 的 神 經(jīng) 一 樣 重 要 , 通 過 他 們 感 知 獲 取 操 作 者以 及 外 骨 骼 的 各 種 運 動 及 數(shù) 據(jù) , 才 使 得 整 個 系 統(tǒng) 能 夠 按 照 預(yù) 期的 目 標(biāo) 運 動 。 3.助 行 外 骨 骼 機 器 人 的 控 制 系 統(tǒng) 與 兩 足 行 走 機 器 人 的 控 制 不 同 , 下 肢 外 骨 骼 機 器 人 不 僅 要考 慮 對 機 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 題 。 下 肢 外 骨 骼 機 器 人 必 須 能 夠 同 步 跟 隨 使 用 者 的 動

21、作 , 能 夠 加 強 使 用 者 的 力 量 并 模 仿 人 類 的 各 種 動 作 , 包 括 戰(zhàn) 場 上 的前 后 左 右 移 動 躲 閃 , 故 控 制 算 法 比 較 復(fù) 雜 。4.助 行 外 骨 骼 機 器 人 的 驅(qū) 動 方 式 與 能 源 驅(qū) 動 方 式 的 合 理 選 擇 對 下 肢 外 骨 骼 機 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 方 式 有 三 種 電 機 驅(qū)動 , 液 壓 驅(qū) 動 , 氣 壓 驅(qū) 動 。 三 種 驅(qū) 動 方 式 各 有 優(yōu) 缺 點 ， 應(yīng) 用 時 需要 根 據(jù) 實 際 分 析 選

22、 擇 。 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 體 積 大 , 重 量 重 , 噪 音 大 ， 對 地 面 的 適 應(yīng) 性 和 運 動 的 靈 活 性 還 需 進(jìn) 一 步提 高 ， 與 使 用 者 的 步 態(tài) 還 不 完 全 協(xié) 調(diào) ， 能 源 的 重 量 較 重 而 且 不耐 用 。 基 于 以 上 問 題 和 下 肢 外 骨 骼 機 器 人 的 應(yīng) 用 背 景 , 其 未 來發(fā) 展 呈 現(xiàn) 出 以 下 幾 個 趨 勢 ：1.智 能 化2.人 機 耦 合3.模 塊 化4.微 型 化 結(jié)論 助 行 外 骨 骼 機 器 人 作 為 一 種 新 興 的 技 術(shù) ， 在 民 用 和 軍 用 領(lǐng)域 都 具 有 廣 闊 的 發(fā) 展 應(yīng) 用 前 景 。 隨 著 科 技 的 不 斷 發(fā) 展 ， 外 骨骼 技 術(shù) 也 將 會 不 斷 的 創(chuàng) 新 與 進(jìn) 步 。 未 來 的 助 行 外 骨 骼 機 器 人系 統(tǒng) 將 會 更 加 適 合 操 作 者 ， 我 們 未 來 的 生 活 會 因 為 它 的 廣 泛應(yīng) 用 而 改 變 。 謝 謝