《外骨骼機(jī)器人發(fā)展》PPT課件.ppt

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,,,,,,,,,,,助行外骨骼機(jī)器人,主要內(nèi)容,1,2,外骨骼機(jī)器人,外骨骼機(jī)器人：外骨骼機(jī)器人是一種人工外骨骼，也是一種機(jī)械機(jī)構(gòu)，能穿戴在人體外部，可以給人提供保護(hù)、額外的動(dòng)力和能力，增強(qiáng)人體機(jī)能，使得操作者能輕松地完成很多艱難的活動(dòng)和任務(wù)。,助行外骨骼機(jī)器人,助行外骨骼機(jī)器人是下肢外骨骼機(jī)器人，屬于外骨骼機(jī)器人的一種，也是應(yīng)用最為廣泛的一種。目前的助行外骨骼機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)主要用于輔助殘疾人、老年人和喪失部分運(yùn)動(dòng)能力的病人行走；軍用方面的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)主要用來增強(qiáng)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(jí)士兵。,3,助行外骨骼機(jī)器人發(fā)展應(yīng)用,外骨骼下肢助行機(jī)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(jī)器人分別在兩個(gè)地點(diǎn)幾乎同時(shí)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(qiáng)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(gè)項(xiàng)目都以失敗告終，下肢外骨骼機(jī)器人的研究在其后經(jīng)過一段時(shí)間陷入沉寂。但到世紀(jì)末,下肢外骨骼機(jī)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(gè)水壓力動(dòng)力源和伺服隨動(dòng)鉸鏈組成，體積巨大，重約680公斤，具有30個(gè)自由度，為上肢和下肢提供助力幫助，控制系統(tǒng)采用主-從控制模式，最終能夠?qū)⑺闹牧α糠糯?5倍。,4,1978年，美國麻省理工學(xué)院研究出“被動(dòng)式外骨骼助力機(jī)器人”。MIT的外骨骼下肢助力機(jī)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(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度。穿戴者與機(jī)器人在肩膀、腕關(guān)節(jié)、大腿和腳部連接，機(jī)器人總重量是11.7Kg。驅(qū)動(dòng)方式不采用電力驅(qū)動(dòng)，只利用彈簧儲(chǔ)能和變阻尼器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。髖關(guān)節(jié)伸/屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧釋放能量，屈運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧儲(chǔ)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(duì)地面的沖力。傳感器系統(tǒng)是由安裝在外骨骼下肢助力機(jī)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(jì)組成。,5,2004年，加州大學(xué)伯克利分校的下肢外骨骼機(jī)器人BLEEX。由一個(gè)用于負(fù)重的背包式外架、兩條動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的仿生金屬腿及相應(yīng)動(dòng)力設(shè)備組成,使用背包中的液壓傳動(dòng)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(qiáng)人體機(jī)能。BLEEX的每條腿具有個(gè)7自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè),膝關(guān)節(jié)1個(gè),踝關(guān)節(jié)3個(gè)）,在該裝置中總共有40多個(gè)傳感器以及液壓驅(qū)動(dòng)器,它們組成了一個(gè)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。,6,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(jī)器人HULC,這款新型外骨骼繼承了BLEEX的優(yōu)點(diǎn),對(duì)一些液壓傳動(dòng)裝置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),不但能夠直立行進(jìn),還可完成下蹲和甸甸等多種相對(duì)復(fù)雜的動(dòng)作,穿上后能夠明顯降低人體對(duì)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(gè)小時(shí)。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(shí)間.,7,美國薩克斯公司完成的第一款外骨骼機(jī)器人是WEAR。2008年4月,成功研制出外骨骼機(jī)器人XOS,如圖所示。外骨骼機(jī)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(dòng)作,輸出強(qiáng)大的力量。當(dāng)穿上XOS時(shí),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(gè)重大缺陷,就是利用自帶的電池只能使用40分鐘。,WEAR,XOS外骨骼機(jī)器人,8,2005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(jī)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(jī)器人是全身式的外骨骼助力機(jī)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(gè)自由度，利用諧波直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)是被動(dòng)的。HAL系列的助行外骨骼機(jī)器人是通過分析人體表皮肌電信號(hào)進(jìn)行控制的。它擁有兩個(gè)控制系統(tǒng)：一個(gè)是以肌電信號(hào)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，一個(gè)是以步行模式為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。通過分析這兩個(gè)系統(tǒng)來判斷使用者的運(yùn)動(dòng)意圖。,9,2000年，神奈川理工學(xué)院研制的全身式外骨骼機(jī)器人主要用于護(hù)士搬運(yùn)和移動(dòng)病人等工作，該機(jī)器人可以輕松的搬運(yùn)85kg的病人。機(jī)器人是由肩部，手臂，后背，腕部和腿部機(jī)械單元組成的。它的驅(qū)動(dòng)器采用設(shè)置在肩部、腕部和腿部微型旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。傳感器系統(tǒng)由具有稱重功能的肌肉傳感器?？刂品椒ú捎弥鲝目刂疲鳈C(jī)械單元一旦發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這運(yùn)動(dòng)將被肌肉傳感器檢測(cè)到，力度的不同由稱重傳感器的觸頭檢測(cè)到，并由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)跟隨運(yùn)動(dòng)。,10,以色列埃爾格醫(yī)學(xué)技術(shù)公司研發(fā)外骨骼助行機(jī)器人Rewalk，總重18Kg，運(yùn)動(dòng)速度是1Km/h，能夠連續(xù)工作8小時(shí)。它可以完成行走、站立、坐下、爬樓梯，上坡和下坡等動(dòng)作。本田電機(jī)公司2008年研制了一款步行助力機(jī)器人“Walkingassist”總重2Kg的助行機(jī)器人有兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠連續(xù)工作2小時(shí)，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,,Walkingassist,11,韓國西江大學(xué)研制的外骨骼助行機(jī)器人。該外骨骼結(jié)構(gòu)上的顯著特點(diǎn)是整個(gè)裝置由外骨骼和手推車兩個(gè)部分組成。所有的驅(qū)動(dòng)元件,包括電池、電機(jī)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(jī)電信號(hào)的肌纖維膨脹信號(hào),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(cè)得,而在人腿自由擺動(dòng),肌纖維不膨脹時(shí),則利用關(guān)節(jié)處的角度傳感器的信號(hào)來觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作。,12,美國芝加哥康復(fù)研究所的外骨骼機(jī)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(jī)組成。通過直接安裝在動(dòng)力裝置上的力轉(zhuǎn)換器增加了測(cè)量患者活動(dòng)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。,13,,國內(nèi)對(duì)外骨骼下肢助力機(jī)器人的研究開始與20世紀(jì)初，目前外骨骼下肢助行機(jī)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(jī)器人，具有10個(gè)自由度，系統(tǒng)利用表皮肌電信號(hào)分析穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖。浙江大學(xué)研制出了多自由度下肢外骨骼助行機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)器使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器為圓形氣缸。它可以將足底壓力信號(hào)和氣缸的位移控制信號(hào)直接關(guān)聯(lián)起來，能夠較好的判斷穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖。,14,上海大學(xué)研制一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，由外骨骼助行器，減重機(jī)構(gòu)和跑步機(jī)構(gòu)成。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)各一個(gè)自由度，共六個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)在矢狀面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過反復(fù)的訓(xùn)練來幫助患者逐步恢復(fù)行走能力,15,關(guān)鍵技術(shù),1.助行外骨骼機(jī)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(jì)的重要依據(jù)和工具。由于人體下肢外骨骼跟隨人體下肢一起運(yùn)動(dòng),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(dòng)作,與人體下肢具有相同的自由度和運(yùn)動(dòng)形式。因此,分析人體下肢自由度、研究人體步態(tài)是設(shè)計(jì)下肢外骨骼實(shí)現(xiàn)行走的基礎(chǔ)。2.助行外骨骼機(jī)器人多傳感器的選擇與信息融合傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。下肢外骨骼機(jī)器人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(yùn)動(dòng)及數(shù)據(jù),才使得整個(gè)系統(tǒng)能夠按照預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。,16,3.助行外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)與兩足行走機(jī)器人的控制不同,下肢外骨骼機(jī)器人不僅要考慮對(duì)機(jī)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(jī)器人必須能夠同步跟隨使用者的動(dòng)作,能夠加強(qiáng)使用者的力量并模仿人類的各種動(dòng)作,包括戰(zhàn)場(chǎng)上的前后左右移動(dòng)躲閃,故控制算法比較復(fù)雜。4.助行外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式與能源驅(qū)動(dòng)方式的合理選擇對(duì)下肢外骨骼機(jī)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(dòng)方式有三種電機(jī)驅(qū)動(dòng),液壓驅(qū)動(dòng),氣壓驅(qū)動(dòng)。三種驅(qū)動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際分析選擇。,17,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體積大,重量重,噪音大，對(duì)地面的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)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?；谝陨蠁栴}和下肢外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用背景,其未來發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾個(gè)趨勢(shì)：1.智能化2.人機(jī)耦合3.模塊化4.微型化,18,結(jié)論,助行外骨骼機(jī)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(huì)不斷的創(chuàng)新與進(jìn)步。未來的助行外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)更加適合操作者，我們未來的生活會(huì)因?yàn)樗膹V泛應(yīng)用而改變。,19,20,,謝謝,