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外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù) 1 2 主要內(nèi)容 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 外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 4 日本Tmsuk公司開發(fā)的T52Enryu 重量近5噸 身高達(dá)3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 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(yíng)救人員以及其他應(yīng)急人員輕松攜帶各種設(shè)備 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 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 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 可以進(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 外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 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 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 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 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100 V 2mV 最高不超過5mV 經(jīng)疊加后的肌電信號(hào)幅值范圍為 2 V 5mV sEMG信號(hào)是一種低頻信號(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)器人的關(guān)鍵技術(shù) 12 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 ArmeoPower ArmeoSpring ArmeoBoom 理論基礎(chǔ) 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 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 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 體積較大 動(dòng)作笨拙環(huán)境的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)的靈活性較差 與操作者的預(yù)期動(dòng)作不吻合不能靈活適應(yīng)不同的操作者 移動(dòng)范圍和工作時(shí)間受限尋求新能源技術(shù) 自適應(yīng)能力較弱自學(xué)習(xí)能力不夠 質(zhì)量問題柔性安全噪音問題舒適度問題 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維持24小時(shí)的工作 而且必須輕且完全無聲 應(yīng)發(fā)展熱效率高和污染較低的新型能源 如燃料電池 保證外骨骼機(jī)器人能長(zhǎng)時(shí)間作業(yè) 五 外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趁勢(shì) 3 下肢外骨骼機(jī)器人必須安全和穩(wěn)定可靠 外骨骼機(jī)器人需要滿足安全性 有效性和舒適性的要求 安全性體現(xiàn)了安全第一的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 有效性體現(xiàn)了外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)目的 舒適性則是面向應(yīng)用的關(guān)鍵因素 隨著能源 材料和控制技術(shù)的不斷進(jìn)步 下肢外骨骼機(jī)器人將會(huì)變得越來越人性化與智能化 五 外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趁勢(shì) 謝謝