1、外骨骼机器人发展外骨骼机器人发展1主要内容主要内容助行外骨骼机器人简介助行外骨骼机器人简介发展应用现状发展应用现状关键技术关键技术发展趋势发展趋势结论结论8 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外骨骼机器人外骨骼机器人9 2005年，日本筑波大学研制出
2、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。10 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
3、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。11 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
4、的穿戴者。RewalkWalking assist12 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。13 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
5、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。14 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。15 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
6、，通过反复的训练来帮助患者逐步恢复行走能力16关键技术关键技术1.1.助行助行外骨骼机器人的步态分析与步态稳定性控制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。2.2.助行助行外骨骼机器人多传感器的选择与信息融合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
7、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。173.3.助行助行外骨骼机器人的控制系统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。4.4.助行助行外骨骼机器人的驱动方式与能源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
8、种驱动方式各有优缺点，应用时需要根据实际分析选择。18发展趋势发展趋势 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：1.1.智能化智能化2.2.人机耦合人机耦合3.3.模块化模块化4.4.微型化微型化19结论结论 助行助行外骨骼机器人作为一种新兴的技术，在民用和军用领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。应用而改变。20 谢谢谢谢
