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外骨骼康復機器人研究現(xiàn)狀及關鍵技術 1 2 主要內(nèi)容 3 定義 外骨骼機器人 是一種結(jié)合了人的智能 機械動力裝置和機械能量的人機結(jié)合的可穿戴設備 按結(jié)構(gòu)可將外骨骼機器人分為上肢 下肢 全身及各類關節(jié)機器人 應用 一 外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀 4 日本Tmsuk公司開發(fā)的T52Enryu 重量近5噸 身高達3米 可用于任何災害的救援工作中 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 機械臂則可以完成所有類型的工作 Stelarc外骨骼是一款肌肉機器人 外形與蜘蛛人類似 長有6條腿 直徑達到5米 它是一種混合人機 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 操作人員需站在中間 控制機器朝著面部方向移動 Stelarc外骨骼由流體肌肉傳動裝置驅(qū)動 裝有大量傳感器 一 外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀 5 被謀殺的教授步行輔助設備 由美國弗吉尼亞理工大學的凱文 格拉納塔教授研制的下肢外骨骼機器人 能夠幫助少肌癥患者恢復身體機能 少肌癥可導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 由美國國防高級研究計劃局 DARPA 設計的伯克利 布里克外骨骼機器人 BLEEX 可以幫助士兵 營救人員以及其他應急人員輕松攜帶各種設備 一 外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀 6 日本科技公司 賽百達因 研制的HAL 5是一款半機器人 它裝有主動控制系統(tǒng) 肌肉通過運動神經(jīng)元獲取來自大腦的神經(jīng)信號 進而移動肌與骨骼系統(tǒng) HAL 混合輔助肢體 可以探測到皮膚表面非常微弱的信號 動力裝置根據(jù)接收的信號控制肌肉運動 機甲外骨骼機器人 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神經(jīng)力學實驗室設計 可實現(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計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 借助于這種設備 輕偏癱患者可以重獲力量和控制能力 可以進行調(diào)節(jié) 能夠在腿部移動和引力之間實現(xiàn)一種平衡 一 外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀 8 機械結(jié)構(gòu)要全面的分析人體各關節(jié)的運動范圍和運動特點 設計時 應該考慮 1 盡量遵循擬人原則 外骨骼各肢體關節(jié)等機械形狀和尺寸參照人體 GB1000 88 2 外骨骼各關節(jié)如 膝 髖 踝關節(jié) 自由度要考慮到人體相應關節(jié) 確保其運動形式與人的運動形式相同 且各關節(jié)要有一定的運動范圍 使其既不限制人體運動又確保動作的安全 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 同時要具有良好的散熱性能 目前常用的設備驅(qū)動主要有 液壓驅(qū)動 氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動 目前外骨骼機器人主要以蓄電池供電 移動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鍵問題 未來可以尋求新能源技術 包括 太陽能 生物能 解決能源發(fā)展的技術瓶頸 外骨骼機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確的響應人體的各種動作 還要考慮外骨骼與不同操作者之間的默契 即需要有一定的學習能力 以適應不同操作者的運動特點 二 外骨骼機器人的關鍵技術 9 定義 以液體為工作介質(zhì)進行能量傳遞和控制的傳動方式 優(yōu)點 慣性小 結(jié)構(gòu)簡單 可靠性高 工作穩(wěn)定 缺點 受壓液體容易泄露 工作噪聲較大 能源使用效率低 傳動速度低 代表 美國伯克利分校研制的主力機械服BLEEX系列 定義 利用電力設備并調(diào)節(jié)電參數(shù)來傳遞動力和進行控制的傳動方式 優(yōu)點 技術成熟 結(jié)構(gòu)簡單 無污染 信號傳遞迅速且易于實現(xiàn)自動化 缺點 動態(tài)平衡特性差 質(zhì)量大 慣性大 換向慢 代表 日本駐波大學的外骨骼機器人HAL系列 定義 以壓縮空氣為工作介質(zhì)進行能量傳遞和控制的傳動方式 優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡單 無污染 阻力損失小 成本低等 缺點 氣動裝置傳動速度的穩(wěn)定性較差 信號傳遞的速度慢 控制性較差 不適用于大功率系統(tǒng) 二 外骨骼機器人的關鍵技術 液壓驅(qū)動 10 定義 一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移轉(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裝置組成 定義 將力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵龅碾娮釉Y(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 是指 神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進行隨意性或非隨意性活動時的生物電變化 經(jīng)皮膚表面電極引導 放大 顯示并記錄下神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號特點 信號形態(tài)具有較大的隨機性和不穩(wěn)定性 優(yōu)點 無創(chuàng)性 實時性 多靶點測量 肌電信號可分為 針電極肌電信號 NEMG 和表面肌電信號 sEMG NEMG以針電極為引導電極 將其插入肌肉內(nèi)部對動作電位進行直接測量 sEMG以表面電極為引導電極 將其安置在皮膚表面拾取肌肉活動的電位 二 外骨骼機器人的關鍵技術 11 表面肌電信號因不同的個體 肌肉而存在差異 但仍具有以下幾點共性 sEMG信號是一種交流電壓信號 其幅值與肌力大致成正比關系 肌肉松弛 緊張度與sEMG電壓幅度之間存在著近似線性關系 sEMG信號是一種微弱的電信號 正常肌肉運動單元電位幅值一般為100 V 2mV 最高不超過5mV 經(jīng)疊加后的肌電信號幅值范圍為 2 V 5mV sEMG信號是一種低頻信號 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信號是一種非平穩(wěn)隨機信號 其統(tǒng)計學特性隨時間的變化而變化 信號由強度和傳播方向不同 在分屬不同運動單元的肌纖維上傳播的多個MUAP在信號拾取區(qū)域疊加而成的 這使得測量具有一定的隨機性 sEMG信號 正是由于相同肌群sEMG信號規(guī)律性和不同肌群sEMG信號差異性的存在 人體完成不同動作 肌電信號有所差別 不同個體執(zhí)行相同動作 肌電信號相似 才使得利用sEMG傳感器作為人機接口來控制外骨骼機器人成為可能 1 sEMG傳感器 二 外骨骼機器人的關鍵技術 12 壓阻效應 半導體材料在某一方向上受到壓力作用時 他的電阻率會發(fā)生顯著變化 其靈敏度比金屬應變片高50 100倍 優(yōu)點 1 分辨率高 尺寸小2 橫向效應小 滯后和蠕變小3 響應頻率高 適合動態(tài)測量 由彈性元件 電阻應變片組成用來測量力的應變式傳感器 優(yōu)點 1 精度高 測量范圍廣 2 使用壽命長 性能穩(wěn)定可靠 輸出特性的線性度好 3 結(jié)構(gòu)簡單 尺寸小 重量輕 4 響應頻率高 適合測量動態(tài)過程 壓電效應 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 當外力消失時 材料重新恢復原狀的現(xiàn)象 利用彈性變形進行測量及變換的元件 輸入量為力 力矩 或者壓力 輸出應變或者位移 再由傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出 如 彈簧 波紋管 壓阻式力傳感器 壓磁效應 一些鐵磁材料在受到外力作用后 其內(nèi)部產(chǎn)生應力 引起鐵磁材料磁導率變化的現(xiàn)象 特點 輸出信號大 抗干擾性好 過載能力強 2 力傳感器 二 外骨骼機器人的關鍵技術 13 根據(jù)光電編碼器的刻度方法及信號輸出形式 可將其分為 增量式 絕對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)一個脈沖 用于基準點定位 優(yōu)點 原理構(gòu)造簡單 機械壽命長 抗干擾能力強 可靠性高 適合長距離傳輸缺點 無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息 絕對式 利用二進制方式進行轉(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 檢測絕對位置 優(yōu)點 可直接讀出角度坐標的絕對值 沒有累積誤差 電源切除后 位置信息不會丟失缺點 分辨率由二進制的位數(shù)來決定 N位二進制分辨率的編碼器 其碼盤必有N條碼道 3 光電編碼器 二 外骨骼機器人的關鍵技術 14 人體 外骨骼機器人 二 外骨骼機器人的關鍵技術 15 ArmeoPower ArmeoSpring ArmeoBoom 理論基礎 研究表明 許多中風 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 重復的帶有任務的動作使其進行重新構(gòu)造 四 可穿戴式康復外骨骼機器人 16 四 可穿戴式康復外骨骼機器人 上肢5自由度為 1 肩關節(jié)側(cè)展自由度 2 肩關節(jié)屈伸自由度 肘關節(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個自由度為 髖關節(jié)側(cè)展自由度 髖關節(jié)屈伸自由度 膝關節(jié)屈伸自由度 踝關節(jié)屈伸自由度 四 可穿戴式康復外骨骼機器人 四 可穿戴式康復外骨骼機器人 四 可穿戴式康復外骨骼機器人 由于不可能對不同的患者一一進行精確的建模 我們采用了類似于人機學習觀察器的自適應控制方法來讓機器學習出系統(tǒng)應有的動力學模型前饋 這種控制方法使得我們能夠讓機器人克服運動過程中的阻尼來引導患者完成所需要的運動動作 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動動作 同時 這種算法也可以同時識別出機器人的運動模型 在運動的過程中進行前饋補償 四 可穿戴式康復外骨骼機器人 圖6上圖為運動的期望軌跡qr 實際軌跡q和誤差e 下圖為運動過程中肘關節(jié)電機的電流 由圖6可看出 隨著運動的進行 肘關節(jié)的運動誤差越來越小 表示算法逐漸學習出了系統(tǒng)的運動模型 同時電流維持平穩(wěn) 沒有發(fā)散 圖7為一組腕關節(jié)的運動軌跡圖 因為關節(jié)本身受力較小 所以初始誤差較肘關節(jié)更小 算法同樣逐漸學習出了系統(tǒng)的運動模型 電流維持平穩(wěn) 沒有發(fā)散 五 外骨骼機器人的發(fā)展趨勢 現(xiàn)有的下肢外骨骼機器人還存在以下幾方面的問題 21 體積較大 動作笨拙環(huán)境的適應性和運動的靈活性較差 與操作者的預期動作不吻合不能靈活適應不同的操作者 移動范圍和工作時間受限尋求新能源技術 自適應能力較弱自學習能力不夠 質(zhì)量問題柔性安全噪音問題舒適度問題 1 下肢外骨骼機器人應具有較強的學習能力 人類的行走存在著 個性化 差別 而且根據(jù)路況 使用的行走動作也是隨機的 很難使用一個固定的模式來描述行走過程 所以很難得到一個固定的輸出設定 而這個行走動作預設參數(shù)的設定卻至關重要 必須使用這項參數(shù)來控制各種情況下的動作 故下肢外骨骼機器人未來發(fā)展最重要的一個方向就是具有學習的能力 也即是 針對它的每一個使用者 學習出 一套最適應使用者行走習慣的運動模式 2 下肢外骨骼機器人必須輕巧和工作效率高 在未來進行下肢外骨骼機器人研制時 應選擇堅固 輕型且有彈性的材質(zhì) 并且外骨骼機器人應具有高度的靈活性 使得使用者穿著作業(yè)時感到輕松自在 而不是受到約束 另外對于外骨骼機器人的動力源 攜帶的能源必須能夠維持24小時的工作 而且必須輕且完全無聲 應發(fā)展熱效率高和污染較低的新型能源 如燃料電池 保證外骨骼機器人能長時間作業(yè) 五 外骨骼機器人的發(fā)展趁勢 3 下肢外骨骼機器人必須安全和穩(wěn)定可靠 外骨骼機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)了安全第一的設計準則 有效性體現(xiàn)了外骨骼機器人的設計目的 舒適性則是面向應用的關鍵因素 隨著能源 材料和控制技術的不斷進步 下肢外骨骼機器人將會變得越來越人性化與智能化 五 外骨骼機器人的發(fā)展趁勢 謝謝