外骨骼机器人

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一页，共三十四页。,从生物学的角度上来讲，一般是把虾、蟹、昆虫等,节肢动物体表坚韧的几丁质的骨骼称为 外骨骼，,它有保护和支持作用。有时也指软体动物的贝壳和,棘皮动物石灰质的板和棘。节肢动物的体表覆盖,着坚硬的体壁。体壁由三局部组成：表皮细胞层，,基膜和角质层。表皮细胞层由一层活细胞组成，它,向内分泌形成一层薄膜，叫做基膜，向外分泌形成,厚的角质层。角质层除了能防止体内水分蒸发和保,护内部构造外，还能与内壁所附着的肌肉共同完成,各种运动，跟脊椎动物体内的骨骼有相似的作用，,因此被叫做外骨骼。,第二页，共三十四页。,?钢铁侠?中的可穿戴装甲,第三页，共三十四页。,电影?阿凡达?中的机甲战士,第四页，共三十四页。,?未来警察?中的人形装甲,第五页，共三十四页。,电影?特种部队之眼镜蛇的崛起?中的加速装甲,第六页，共三十四页。,第七页，共三十四页。,外骨骼机器人,概念：外骨骼本指昆虫或甲壳类动物身体外表的骨骼，具有支撑和保护作用，而军工企业却因此受到启发，根据仿生学原理，利用特殊材料制成机械化装置套在士兵身体上，以增强士兵的负重、机动和打击能力。,一旦佩戴外骨骼机器人，将成为一名“超级士兵，力量将放大10几倍，可携载更多的武器装备，武器威力增强，防护水平提高，同时可克服任何障碍，高速前进，不会让士兵产生疲劳感。,第八页，共三十四页。,外骨骼机器人的设计要求：,1,、可穿戴性：,外骨骼要具有良好的可穿戴性。不需要经,过专业训练即可非常容易、顺利而快速地穿脱。,2,、可调节性：,外骨骼应能适应各种身材的士兵穿着，其,长度及宽度方向都应能调节以适应高、矮、胖、瘦不同的,士兵。,3,、相互干扰小：,尽量减小对人体数据的测量，减小人,与外骨骼的直接接触面，减小之间的相互干扰，从而减小,对人体各方面的限制。,4,、轻巧：,要求外骨骼尽量轻巧、舒适，减小总体质量，,节省能源。,第九页，共三十四页。,5、鲁棒性：包括以下几个方面：外骨骼材料要巩固,使其能足以负担重物。各执行机构与控制算法要有好的,性能，确保外骨骼各项功能准确、可靠、及时地实现。,机构强度要足以应付士兵的任何战术动作带来的冲击载,荷。,6、柔顺、舒适性：下肢外骨骼的运动与人腿的运动要,具有很好的协调性。其结构、自由度的配置要与人体结构,与自由度相匹配。使穿着者感觉柔顺自然，不会有大的干,扰，外骨骼脚落地时的冲击要小，尽量让穿着者感觉舒,适。,7、待机时间：要保证能长时间地提供外骨骼运动的能,源供给，能源装置要尽量的轻便，确保士兵长距离行军。,8、降低本钱：在能够实现功能的情况下尽量降低产品,本钱。,第十页，共三十四页。,外骨骼,机,机器人,的,的设计,结,结构,外骨骼,机,机器人,在,在人的,控,控制,下负重,行,行走,人,人提供,思,思维、,判断、,决,决策和,控,控制能,力,力;外,骨骼发,挥,挥其强,劲,劲的承,载,载能,力,人,机,机合一,协调,合,合作,共,共,同完成,行,行军、,侦,侦察、,单,单兵,作战等,任,任务。,因,因此,它,它包括,外骨骼,脚,脚、行,走,走跨步,的,的两,条腿、,实,实现转,身,身的腰,部,部、,托放行,李,李的后,背,背架,以,以及能,量控制,单,单元等,局,局部(,右,右图为,下肢外,骨,骨骼总,体,体结构)。,第十一,页,页，共,三,三十四,页,页。,外骨骼,设,设计结,构,构示意,图,图,第十二,页,页，共,三,三十四,页,页。,外骨骼,机,机器机,器,器人系,统,统下肢,控制原,理,理：其,机,机械结,构,构由与,人类同,步,步行走,的,的两条,金,金属的,腿、将,重,重力传,递,递到地,面,面的,脚、能,够,够实现,转,转身动,作,作的腰,部以及,放,放置重,物,物的后,背,背托架,四局部,组,组成，,其,其中包,括,括传,感、动,力,力输出,装,装置及,执,执行元,件、控,制,制系统,以,以及能,源,源系统,等都是,实,实现外,骨,骨骼与,士,士兵共,同完成,负,负重行,军,军任务,所,所不可,缺少的,。,。,第十三,页,页，共,三,三十四,页,页。,外骨骼,系,系统工,作,作原理,装备外,骨,骨骼的,士,士兵在,此,此套系,统,统的帮,助,助下能,够,够轻松,实,实现负,重,重,长途行,军,军，跋,涉,涉于车,辆,辆不易,行,行驶的,路,路面，,完,完成侦,察,察、作,战,战,等任务,。,。外骨,骼,骼与士,兵,兵人机,合,合一，,人,人提供,智,智慧，,外,外骨骼,提,提,供承载,能,能力，,即,即所谓,的,的“人,在,在回路,中,中，,充,充分发,挥,挥人与,机,机,器各自,的,的优势,。,。外骨,骼,骼全身,布,布置了,传,传感器,，,，通过,安,安装在,各,各,部位的,传,传感器,获,获得各,项,项数据,包括,各,各种能,量,量及角,度,度以及,扭,扭,矩等,并,并传递,到,到中央,控,控制处,理,理器，,中,中央控,制,制处理,器,器经过,计,计,算来调,整,整外骨,骼,骼的动,作,作，通,过,过驱动,装,装置使,其,其完成,与,与士兵,相,相,同的一,系,系列下,肢,肢动作,。,。下肢,外,外骨骼,工,工作原,理,理如以,下,下图：,第十四,页,页，共,三,三十四,页,页。,第十五,页,页，共,三,三十四,页,页。,外骨骼,控,控制方,法,法,外骨骼,机,机器人,和,和其他,机,机器人,的,的,最大区,别,别在于,它,它的操,作,作者是,人，而,不,不是机,器,器，操,作,作者处,于,于,回路中,，,，即“,人,人在回,路,路中,ManinLoop,，,，操作,者,者与,外骨骼,具,具有实,实,实在在,的,的物理,接,接,触，形,成,成了一,个,个人机,耦,耦合的,一,一,体化系,统,统。人,机,机耦合,系,系统的,控,控,制目的,是,是使人,和,和机器,能,能够协,调,调,地工作,。,。现在,世,世界各,国,国研制,的,的,外骨骼,机,机器人,控,控制方,法,法如下,：,：,第十六,页,页，共,三,三十四,页,页。,1,、操作,者,者控制,有些外,骨,骨骼中,是,是用于,康,康复中,心,心的，,它,它有外,部,部能源,驱动的,步,步态矫,正,正装置,。,。这些,装,装置主,要,要是下,肢,肢外骨,骼，用,于,于支撑,重,重量，,对,对操作,者,者进行,下,下肢康,复,复训练,。,。,这些装,置,置的命,令,令信号,一,一般来,自,自于健,康,康的肢,体,体。例,如，由,Yano,设计的,外,外骨骼,中,中使用,了,了一个,开,开关和,地,地面,反作用,力,力传感,器,器，通,过,过操作,者,者的控,制,制，驱,动,动髋关,节,节,运动，,改,改变脚,底,底离开,地,地面的,距,距离。,这,这种方,法,法的缺,点,点,是，操,作,作者的,上,上肢只,能,能用来,发,发布命,令,令，而,不,不能进,行,行,其他的,活,活动，,并,并且操,作,作者必,须,须连续,不,不停地,发,发布命,令，不,仅,仅浪费,了,了体力,，,，而且,操,操作者,的,的运动,也,也变得,很,很,不自然,。,。,第十七,页,页，共,三,三十四,页,页。,2,、,肌电控,制,制,1851年法,国,国科学,家,家Dubois-Reymond,首,首次提,出,出肌肉,传,传感的,问题，,如,如今，,肌,肌电信,号,号electromyograms，EMGs模,型,型,已经从,线,线性模,型,型开展,到,到非线,性,性模型,，,，广泛,应,应用到,肌,肌电传,感,感,器的设,计,计和应,用,用中。Rosen研,究,究了基,于,于EMG信号,驱,驱动的,手,手,臂外骨,骼,骼系统,。,。试验,说,说明操,作,作者可,以,以用很,小,小的力,就,就可以,操,操,作外部,负,负载。,下,下肢外,骨,骨骼中,最,最成功,的,的应用EMG,信,信号的,是,是,日本的HAL,，,，HAL采用EMG,信,信号来,辨,辨识人,的,的运动,意,意识，,它考虑,了,了人腿,具,具有的,粘,粘性特,性,性和弹,性,性特性,，,，基于,阻,阻抗控,制,制,方法研,究,究了HAL的,粘,粘性特,性,性的控,制,制，对,肌,肌肉的,粘,粘弹性,特,特,性进行,了,了深入,的,的分析,，,，使得,穿,穿上HAL的,操,操作者,运,运动起,来,来感,觉非常,舒,舒适。,肌,肌电传,感,感有其,自,自身的,优,优点和,缺,缺点。,传,传感器,每,每,次都要,贴,贴到人,体,体外表,，,，使用,不,不方便,。,。,第十八,页,页，共,三,三十四,页,页。,3,、预编,程,程控制,有些外,骨,骨骼装,置,置通过,预,预先编,好,好的程,序,序来运,行,行，操,作,作者,只能进,行,行有限,的,的干预,。,。下肢,运,运动矫,正,正装置,用,用来帮,助,助瘫痪,者,者,恢复运,动,动能力,。,。装置,的,的运动,轨,轨迹是,预,预先编,程,程设计,好,好的，,设,设,计时根,据,据正常,人,人的运,动,动步态,来,来设计,并,并有所,改,改动以,适,适应于,矫,矫,正装置,。,。有源,步,步态矫,正,正装置,是,是针对,那,那些腿,部,部受到,物,物理损,伤,伤,的患者,设,设计的,，,，通过,预,预先编,好,好的程,序,序，控,制,制机械,关,关节模,拟,拟,正常人,的,的行走,步,步态，,带,带动患,者,者运动,，,，帮助,患,患者进,行,行行走,训,训,练的康,复,复装置,设,设计了,一,一些预,先,先编好,程,程序的,运,运动，,同,同时，,通,通,过安装,在,在脚底,的,的力传,感,感器来,计,计算应,该,该分配,在,在每个,关,关节上,的,的,力矩。Colombo的步,态,态矫正,器,器同样,是,是一个,位,位置控,制,制装置,，,，,程序控,制,制参数,如步,幅,幅、速,度,度可,以,以根据,患,患者的,不,不同进,行,行,调节。,所,所有这,些,些基于,程,程序控,制,制的康,复,复矫正,装,装置都,需,需要患,者,者,使用手,杖,杖或者,额,额外的,辅,辅助框,架,架来保,持,持操作,者,者行走,的,的稳定,，,，,而且现,的,的运动,形,形式也,十,十分有,限,限。,第十九,页,页，共,三,三十四,页,页。,4,、主从,控,控制,主从控,制,制一般,用,用于远,程,程机器,人,人操作,系,系统，,目,目的是,令,令远,方的机,器,器模拟,操,操作者,的,的动作,。,。为了,能,能连续,不,不断地,捕,捕获人,体,体,的运动,，,，操作,者,者必须,穿,穿戴一,套,套主外,骨,骨骼装,置,置。这,种,种方法,的,的,目标是,通,通过反,响,响，控,制,制机器,的,的关节,角,角度跟,踪,踪相应,的,的人体,的,的,关节角,度,度。这,种,种控制,方,方法不,仅,仅要控,制,制终端,的,的位置,和,和方向,，,，,而且要,控,控制整,个,个装置,的,的姿态,。,。Hardiman,采,采用的,就,就是主,从,从,控制方,法,法，具,有,有30,个,个自由,度,度，用,于,于增强,人,人的负,荷,荷能力,。,。,内部的,外,外骨骼,是,是“主,，由,操,操作者,控,控制，,为,为外部,的,的“从,外骨骼,提,提供命,令,令。在,主,主从控,制,制方法,中,中，人,必,必须能,从,从初始,位,位,置移动,到,到一个,期,期望的,位,位置才,能,能带动,外,外骨骼,运,运动。,因,因此，,必,必,须有两,个,个外骨,骼,骼：一,个,个是主