外骨骼康复机器人研究现状及关键技术

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1、外骨骼康复机器人研究现状及关键技术2021/9/8可穿戴式康复外骨骼机器人3外骨骼机器人的研究现状312外骨骼机器人的关键技术主要内容外骨骼机器人的发展趁势42021/9/82定义外骨骼机器人：是一种结合了人的智能、机械动力装置和机械能量的人机结合的可穿戴设备。按结构可将外骨骼机器人分为上肢、下肢、全身及各类关节机器人。应用一、外骨骼机器人的研究现状2021/9/8日本Tmsuk公司开发的T52Enryu，重量近5吨，身高达3米，可用于任何灾害的救援工作中，能帮助工作人员清理路上的碎片，能够举起重量近1吨的重物，机械臂则可以完成所有类型

2、的工作。Stelarc外骨骼是一款肌肉机器人，外形与蜘蛛人类似，长有6条腿，直径达到5米。它是一种混合人机，充气和放气之后便可膨胀和收缩，与其他外骨骼相比具有更高的灵活性。使用时，操作人员需站在中间，控制机器朝着面部方向移动。Stelarc外骨骼由流体肌肉传动装置驱动，装有大量传感器。一、外骨骼机器人的研究现状2021/9/8被谋杀的教授步行辅助设备，由美国弗吉尼亚理工大学的凯文·格拉纳塔教授研制的下肢外骨骼机器人，能够帮助少肌症患者恢复身体机能，少肌症可导致人体的骨骼肌流失,他研制的步行辅助外骨骼却仍在帮助着很多患者。由美国国防高级研

3、究计划局(DARPA)设计的伯克利·布里克外骨骼机器人（BLEEX），可以帮助士兵，营救人员以及其他应急人员轻松携带各种设备。一、外骨骼机器人的研究现状2021/9/8松下充气式外骨骼，用于帮助偏瘫患者，肘部和腕部装有传感器，允许手臂控制8块人造肌肉，人造肌肉内装有压缩空气，用于挤压瘫痪的部位。引力平衡腿部矫形器在设计上用于帮助佩戴者在不受引力影响下走路。由于消除了引力影响，这也就意味着轻偏瘫患者在这种矫形器帮助下可以很容易行走。借助于这种设备，轻偏瘫患者可以重获力量和控制能力。可以进行调节，能够在腿部移动和引力之间实现一种平衡。一、外

4、骨骼机器人的研究现状2021/9/8机械结构要全面的分析人体各关节的运动范围和运动特点，设计时，应该考虑：（1）尽量遵循拟人原则，外骨骼各肢体关节等机械形状和尺寸参照人体（GB1000-88）；（2）外骨骼各关节如：膝、髋、踝关节，自由度要考虑到人体相应关节，确保其运动形式与人的运动形式相同，且各关节要有一定的运动范围，使其既不限制人体运动又确保动作的安全；（GB24436-2009）（3）能在不同的环境使用，如：楼梯，草地等。体积小，质量轻，并且能够提供足够大的力矩或扭矩，同时要具有良好的散热性能。目前常用的设备驱动主要有：液压驱动，

5、气压驱动和电机驱动。目前外骨骼机器人主要以蓄电池供电，移动范围受到蓄电池的容量和效率的限制,如何提高蓄电池单位体积的容量和外骨骼的使用效率是关键问题。未来可以寻求新能源技术，包括：太阳能，生物能，解决能源发展的技术瓶颈。外骨骼机器人的控制模型可以分为：感知层，控制层，决策层。控制系统需要确保外骨骼能快速准确的响应人体的各种动作，还要考虑外骨骼与不同操作者之间的默契，即需要有一定的学习能力，以适应不同操作者的运动特点。二、外骨骼机器人的关键技术2021/9/8电机驱动气压驱动定义：以液体为工作介质进行能量传递和控制的传动方式。优点：惯性小

6、，结构简单，可靠性高，工作稳定；缺点：受压液体容易泄露，工作噪声较大，能源使用效率低，传动速度低；代表：美国伯克利分校研制的主力机械服BLEEX系列定义：利用电力设备并调节电参数来传递动力和进行控制的传动方式。优点：技术成熟，结构简单，无污染，信号传递迅速且易于实现自动化；缺点：动态平衡特性差，质量大，惯性大，换向慢；代表：日本驻波大学的外骨骼机器人HAL系列。定义：以压缩空气为工作介质进行能量传递和控制的传动方式。优点：结构简单，无污染，阻力损失小，成本低等；缺点：气动装置传动速度的稳定性较差，信号传递的速度慢，控制性较差，不适用于大

7、功率系统；二、外骨骼机器人的关键技术液压驱动2021/9/89sEMG传感器光电编码器力传感器外骨骼机器人相关传感器定义：一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移转换为脉冲或者数字量的传感器结构：由光栅盘和光电检测装置组成定义：将力信号转变为电信号输出的电子元件结构：由力敏元件、转换元件和电路组成分类：弹性敏感元件应变式力传感器压阻式力传感器压电式力传感器sEMG：表面肌电信号，是指：神经肌肉系统在进行随意性或非随意性活动时的生物电变化，经皮肤表面电极引导、放大、显示并记录下神经肌肉系统活动时的生物电信号特点：信号形态具有较大的随机性和

8、不稳定性；优点：无创性、实时性、多靶点测量肌电信号可分为：针电极肌电信号（NEMG）和表面肌电信号（sEMG）。NEMG以针电极为引导电极，将其插入肌肉内部对动作电位进行直接测量；sEMG以表面电极为引导电