外骨骼机器人发展

助行外骨骼机器人 主要内容助 行 外 骨 骼 机 器 人 简 介发 展 应 用 现 状关 键 技 术发 展 趋 势结 论 外骨骼机器人外 骨 骼 机 器 人 ： 外 骨 骼 机 器 人 是 一 种 人 工 外 骨 骼 ， 也 是 一 种 机 械 机 构 ， 能 穿 戴 在 人体 外 部 ， 可 以 给 人 提 供 保 护 、 额 外 的 动 力 和 能 力 ， 增 强 人 体 机 能 ， 使 得操 作 者 能 轻 松 地 完 成 很 多 艰 难 的 活 动 和 任 务 。 助行外骨骼机器人 助 行 外 骨 骼 机 器 人 是 下 肢 外 骨 骼 机 器 人 ， 属 于 外 骨 骼 机器 人 的 一 种 ， 也 是 应 用 最 为 广 泛 的 一 种 。 目 前 的 助 行 外 骨 骼 机 器 人 系 统 的 研 制 和 应 用 可 以 分 为 民用 和 军 用 两 大 类 。 民 用 方 面 的 外 骨 骼 机 器 人 系 统 主 要 用 于 辅 助 残 疾 人 、 老年 人 和 丧 失 部 分 运 动 能 力 的 病 人 行 走 ； 军 用 方 面 的 外 骨 骼 机器 人 系 统 主 要 用 来 增 强 普 通 士 兵 的 能 力 ， 可 以 让 普 通 士 兵 成为 在 负 重 较 大 的 情 况 下 依 旧 可 以 跳 过 较 高 物 体 和 快 速 奔 跑 的超 级 士 兵 。 助行外骨骼机器人发展应用 外 骨 骼 下 肢 助 行 机 器 人 的 研 究 始 于20世 纪 60 年 代 末 期 ， 主 要 在 欧 美 等 一 些发 达 国 家 展 开 ， 最 初 的 外 骨 骼 助 力 机 器 人分 别 在 两 个 地 点 几 乎 同 时 产 生 ， 分 别 是 美国 和 南 斯 拉 夫 ， 美 国 研 究 这 技 术 的 最 初 目的 是 增 强 人 的 能 力 , 往 往 是 用 于 军 事 目 的 , 而 前 南 斯 拉 夫 的 目 的 是 用 来 辅 助 残 障 人 。 上 述 两 个 项 目 都 以 失 败 告 终 ， 下 肢 外骨 骼 机 器 人 的 研 究 在 其 后 经 过 一 段 时 间 陷入 沉 寂 。 但 到 世 纪 末 , 下 肢 外 骨 骼 机 器 人又 重 新 得 到 世 界 各 国 的 关 注 ,世 界 上 很 多 国 家 都 积 极 地 投 入 到 研 究 中 。 下 面 分 别 介绍 一 些 在 下 肢 外 骨 骼 方 面 比 较 成 熟 的 研 究 成 果 。 “ 哈 迪 曼 ” 由 30 个 水 压 力 动 力 源和 伺 服 随 动 铰 链 组 成 ， 体 积 巨 大 ， 重约 680 公 斤 ， 具 有 30 个 自 由 度 ， 为上 肢 和 下 肢 提 供 助 力 帮 助 ， 控 制 系 统采 用 主 -从 控 制 模 式 ， 最 终 能 够 将 四 肢的 力 量 放 大 25 倍 。 1978 年 ， 美 国 麻 省 理 工 学 院 研 究 出 “ 被 动 式外 骨 骼 助 力 机 器 人 ” 。 MIT的 外 骨 骼 下 肢 助 力 机 器人 能 够 在 负 载 36公 斤 的 情 况 下 行 走 1m/s， 其 中 80%的 负 重 被 传 递 到 地 面 上 。 它 的 关 节 自 由 度 配 置包 括 髋 关 节 有 3 个 自 由 度 ， 膝 关 节 1 个 自 由 度 。穿 戴 者 与 机 器 人 在 肩 膀 、 腕 关 节 、 大 腿 和 脚 部 连 接 ，机 器 人 总 重 量 是 11.7Kg。 驱 动 方 式 不 采 用 电 力 驱 动 ， 只 利 用 弹 簧 储 能 和变 阻 尼 器 驱 动 关 节 驱 动 。 髋 关 节 伸 /屈 运 动 时 ， 伸运 动 时 弹 簧 释 放 能 量 ， 屈 运 动 时 弹 簧 储 存 能 量 ， 膝关 节 利 用 磁 流 变 阻 尼 器 ， 踝 关 节 利 用 碳 纤 维 弹 簧 缓冲 脚 后 跟 对 地 面 的 冲 力 。 传 感 器 系 统 是 由 安 装 在 外骨 骼 下 肢 助 力 机 器 人 外 壳 的 应 变 桥 式 应 变 片 传 感 器和 安 装 在 膝 关 节 的 电 位 计 组 成 。 2004年 ， 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 的 下 肢 外骨 骼 机 器 人 BLEEX。 由 一 个 用 于 负 重 的 背 包 式外 架 、 两 条 动 力 驱 动 的 仿 生 金 属 腿 及 相 应 动力 设 备 组 成 , 使 用 背 包 中 的 液 压 传 动 系 统 和箱 式 微 型 空 速 传 感 仪 作 为 液 压 泵 的 能 量 来 源 , 以 全 面 增 强 人 体 机 能 。 BLEEX的 每 条 腿 具 有 个 7自 由 度 (髋 关 节 3个 , 膝 关 节 1个 ,踝 关 节 3个 ） ,在 该 装 置 中 总共 有 40多 个 传 感 器 以 及 液 压 驱 动 器 , 它 们 组成 了 一 个 类 似 人 类 神 经 系 统 的 局 域 网 。 BLEEX的 负 重 量 能 达 到 75kg,并 以 0.9m/s的 速 度 行 走 , 在 没 有 负 重 的 情 况 下 ,能 以 的 1.3m/s速 度 行 走 。 目 前 ,洛 克 希 德 马 丁 公 司 和 伯 克 利分 校 共 同 研 制 了 新 一 代 外 骨 骼 机 器 人 HULC, 这 款 新 型 外 骨 骼 继 承 了 BLEEX的 优 点 , 对一 些 液 压 传 动 装 置 和 结 构 进 行 了 优 化 设 计 , 不 但 能 够 直 立 行 进 , 还 可 完 成 下 蹲 和 甸 甸等 多 种 相 对 复 杂 的 动 作 , 穿 上 后 能 够 明 显降 低 人 体 对 氧 气 的 消 耗 量 。 在 一 次 充 满 电 后 , 可 保 证 穿 着 者 以4.8km/h的 速 度 背 负 90kg重 物 持 续 行 进 一个 小 时 。 而 穿 着 HULC的 冲 刺 速 度 则 可 达 到16km/h。 HULC穿 戴 起 来 也 非 常 方 便 , 士 兵只 需 将 腿 伸 进 靴 子 下 方 的 足 床 , 然 后 用 皮带 绑 住 腿 部 、 腰 部 以 及 肩 部 即 可 ,完 全 脱下 需 30秒 的 时 间 . 美 国 萨 克 斯 公 司 完 成 的 第 一 款 外 骨 骼 机 器 人是 WEAR。 2008年 4月 , 成 功 研 制 出 外 骨 骼 机 器 人 XOS, 如 图 所 示 。 外 骨 骼 机 器 人 XOS代 表 了 外 骨 骼 领 域 最尖 端 的 技 术 。 它 利 用 附 在 身 体 上 的 传 感 器 , 可 以 毫不 延 迟 地 反 应 身 体 的 动 作 , 输 出 强 大 的 力 量 。 当 穿上 XOS时 , 能 举 起 200磅 的 重 物 就 好 像 举 20磅 的 , 可以 连 续 举 50一 500次 。 目 前 XOS有 一 个 重 大 缺 陷 , 就是 利 用 自 带 的 电 池 只 能 使 用 40分 钟 。 WEAR XOS外 骨 骼 机 器 人 2005年 ， 日 本 筑 波 大 学 研 制 出 了 世界 上 第 一 种 商 业 全 身 式 外 骨 骼 助 行 机 器人 HAL， 它 的 功 能 主 要 是 帮 助 老 年 人 和 残疾 人 走 路 ， 爬 楼 梯 及 搬 东 西 等 。 这 款 机 器 人 是 全 身 式 的 外 骨 骼 助 力机 器 人 ， 髋 关 节 和 膝 关 节 处 通 过 铰 链 连接 并 只 有 1个 自 由 度 ， 利 用 谐 波 直 流 电 机驱 动 ， 踝 关 节 是 被 动 的 。 HAL系 列 的 助 行 外 骨 骼 机 器 人 是 通 过分 析 人 体 表 皮 肌 电 信 号 进 行 控 制 的 。 它拥 有 两 个 控 制 系 统 ： 一 个 是 以 肌 电 信 号为 基 础 的 系 统 ， 一 个 是 以 步 行 模 式 为 基础 的 系 统 。 通 过 分 析 这 两 个 系 统 来 判 断使 用 者 的 运 动 意 图 。 2000年 ， 神 奈 川 理 工 学 院 研制 的 全 身 式 外 骨 骼 机 器 人 主 要 用于 护 士 搬 运 和 移 动 病 人 等 工 作 ，该 机 器 人 可 以 轻 松 的 搬 运 85kg的病 人 。 机 器 人 是 由 肩 部 ， 手 臂 ，后 背 ， 腕 部 和 腿 部 机 械 单 元 组 成的 。 它 的 驱 动 器 采 用 设 置 在 肩 部 、腕 部 和 腿 部 微 型 旋 转 气 动 驱 动 器 。 传 感 器 系 统 由 具 有 称 重 功 能的 肌 肉 传 感 器 。 控 制 方 法 采 用 主从 控 制 ， 各 机 械 单 元 一 旦 发 生 运动 ， 这 运 动 将 被 肌 肉 传 感 器 检 测到 ， 力 度 的 不 同 由 称 重 传 感 器 的触 头 检 测 到 ， 并 由 气 动 驱 动 器 驱动 关 节 跟 随 运 动 。 以 色 列 埃 尔 格 医 学 技 术 公 司 研 发 外 骨 骼 助 行 机 器 人 Rewalk，总 重 18Kg， 运 动 速 度 是 1Km/h， 能 够 连 续 工 作 8 小 时 。 它 可以 完 成 行 走 、 站 立 、 坐 下 、 爬 楼 梯 ， 上 坡 和 下 坡 等 动 作 。 本 田 电 机 公 司 2008年 研 制 了 一 款 步 行 助 力 机 器 人 “ Walking assist” 总 重 2Kg的 助 行 机 器 人 有 两 个 电 机 驱 动 ， 能 够 连 续 工作 2小 时 ， 步 行 速 度 达 到 4.5km/h， 它 可 以 帮 助 单 腿 受 到 损 伤 的穿 戴 者 。 Rewalk Walking assist 韩 国 西 江 大 学 研 制 的 外 骨 骼 助行 机 器 人 。 该 外 骨 骼 结 构 上 的 显 著特 点 是 整 个 装 置 由 外 骨 骼 和 手 推 车两 个 部 分 组 成 。 所 有 的 驱 动 元 件 ,包括 电 池 、 电 机 及 控 制 器 等 较 重 的 周边 设 备 都 布 置 在 手 推 车 中 。 他 们 采 用 类 似 于 机 电 信 号 的 肌纤 维 膨 胀 信 号 , 利 用 绑 在 大 腿 和 小 腿上 的 气 囊 内 的 气 体 的 压 力 变 化 来 测得 , 而 在 人 腿 自 由 摆 动 , 肌 纤 维 不 膨胀 时 , 则 利 用 关 节 处 的 角 度 传 感 器 的信 号 来 触 发 驱 动 器 的 动 作 。 美 国 芝 加 哥 康 复 研 究 所 的 外 骨 骼 机 器 人 Lokomat。 它 主要 由 步 态 矫 形 器 、 先 进 的 体 重 支 援 系 统 和 跑 步 机 组 成 。 通 过 直 接 安 装 在 动 力 装 置 上 的 力 转 换 器 增 加 了 测 量 患 者活 动 能 力 的 功 能 , 而 且 可 以 使 步 态 援 助 水 平 得 到 调 整 , 使 导 引力 从 零 到 最 大 范 围 进 行 调 节 , 以 适 应 不 同 使 用 者 腿 的 锻 炼 。 国 内 对 外 骨 骼 下 肢 助 力 机 器 人 的 研 究 开 始 与 20 世 纪 初 ， 目前 外 骨 骼 下 肢 助 行 机 器 人 的 研 究 正 处 于 起 步 阶 段 。 中 科 大 智 能 所 研 究 的 可 穿 戴 型 助 行 机 器 人 ， 具 有 10个 自 由 度 ，系 统 利 用 表 皮 肌 电 信 号 分 析 穿 戴 者 的 运 动 意 图 。 浙 江 大 学 研 制 出 了 多 自 由 度 下 肢 外 骨 骼 助 行 机 器 人 ， 驱 动 器使 用 气 动 驱 动 ， 髋 关 节 和 膝 关 节 驱 动 器 为 圆 形 气 缸 。 它 可 以 将 足底 压 力 信 号 和 气 缸 的 位 移 控 制 信 号 直 接 关 联 起 来 ， 能 够 较 好 的 判断 穿 戴 者 的 运 动 意 图 。 上 海 大 学 研 制 一 种 下 肢 康 复 训 练 机 器 人 ， 由 外 骨 骼 助 行 器 ，减 重 机 构 和 跑 步 机 构 成 。 髋 关 节 、 膝 关 节 、 踝 关 节 各 一 个 自 由度 ， 共 六 个 自 由 度 实 现 在 矢 状 面 内 运 动 ， 通 过 反 复 的 训 练 来 帮助 患 者 逐 步 恢 复 行 走 能 力 关键技术1.助 行 外 骨 骼 机 器 人 的 步 态 分 析 与 步 态 稳 定 性 控 制 步 态 分 析 是 人 体 下 肢 外 骨 骼 设 计 的 重 要 依 据 和 工 具 。 由于 人 体 下 肢 外 骨 骼 跟 随 人 体 下 肢 一 起 运 动 ,辅 助 操 作 者 承 载 ,首先 考 虑 的 就 是 下 肢 外 骨 骼 应 与 操 作 者 具 有 协 调 一 致 的 动 作 ,与人 体 下 肢 具 有 相 同 的 自 由 度 和 运 动 形 式 。 因 此 ,分 析 人 体 下 肢自 由 度 、 研 究 人 体 步 态 是 设 计 下 肢 外 骨 骼 实 现 行 走 的 基 础 。2.助 行 外 骨 骼 机 器 人 多 传 感 器 的 选 择 与 信 息 融 合 传 感 器 是 实 现 自 动 控 制 的 首 要 环 节 。 下 肢 外 骨 骼 机 器 人的 传 感 器 就 如 同 人 的 神 经 一 样 重 要 , 通 过 他 们 感 知 获 取 操 作 者以 及 外 骨 骼 的 各 种 运 动 及 数 据 , 才 使 得 整 个 系 统 能 够 按 照 预 期的 目 标 运 动 。 3.助 行 外 骨 骼 机 器 人 的 控 制 系 统 与 两 足 行 走 机 器 人 的 控 制 不 同 , 下 肢 外 骨 骼 机 器 人 不 仅 要考 虑 对 机 构 本 身 的 控 制 , 还 要 在 控 制 策 略 上 考 虑 与 使 用 者 的 相适 应 问 题 。 下 肢 外 骨 骼 机 器 人 必 须 能 够 同 步 跟 随 使 用 者 的 动 作 , 能 够 加 强 使 用 者 的 力 量 并 模 仿 人 类 的 各 种 动 作 , 包 括 战 场 上 的前 后 左 右 移 动 躲 闪 , 故 控 制 算 法 比 较 复 杂 。4.助 行 外 骨 骼 机 器 人 的 驱 动 方 式 与 能 源 驱 动 方 式 的 合 理 选 择 对 下 肢 外 骨 骼 机 器 人 的 结 构 和 性 能 也有 很 大 的 影 响 。 下 肢 外 骨 骼 通 常 采 用 的 驱 动 方 式 有 三 种 电 机 驱动 , 液 压 驱 动 , 气 压 驱 动 。 三 种 驱 动 方 式 各 有 优 缺 点 ， 应 用 时 需要 根 据 实 际 分 析 选 择 。 发展趋势 现 有 的 下 肢 外 骨 骼 机 器 人 还 存 在 以 下 几 方 面 的 问 题 体 积 大 , 重 量 重 , 噪 音 大 ， 对 地 面 的 适 应 性 和 运 动 的 灵 活 性 还 需 进 一 步提 高 ， 与 使 用 者 的 步 态 还 不 完 全 协 调 ， 能 源 的 重 量 较 重 而 且 不耐 用 。 基 于 以 上 问 题 和 下 肢 外 骨 骼 机 器 人 的 应 用 背 景 , 其 未 来发 展 呈 现 出 以 下 几 个 趋 势 ：1.智 能 化2.人 机 耦 合3.模 块 化4.微 型 化 结论 助 行 外 骨 骼 机 器 人 作 为 一 种 新 兴 的 技 术 ， 在 民 用 和 军 用 领域 都 具 有 广 阔 的 发 展 应 用 前 景 。 随 着 科 技 的 不 断 发 展 ， 外 骨骼 技 术 也 将 会 不 断 的 创 新 与 进 步 。 未 来 的 助 行 外 骨 骼 机 器 人系 统 将 会 更 加 适 合 操 作 者 ， 我 们 未 来 的 生 活 会 因 为 它 的 广 泛应 用 而 改 变 。 谢 谢