助行外骨骼机器人.ppt

助行外骨骼机器人 主要内容 * 助行外骨骼机器人简介 发展应用现状 关键技术 发展趋势 结论 * 外骨骼机器人 外骨骼机器人： 外骨骼机器人是一种人工外骨骼，也是一种机械机构，能穿戴在人体外部，可以给人提供保护、额外的动力和能力，增强人体机能，使得操作者能轻松地完成很多艰难的活动和任务。 助行外骨骼机器人 助行外骨骼机器人是下肢外骨骼机器人，属于外骨骼机器人的一种，也是应用最为广泛的一种。 目前的助行外骨骼机器人系统的研制和应用可以分为民用和军用两大类。 民用方面的外骨骼机器人系统主要用于辅助残疾人、老年人和丧失部分运动能力的病人行走；军用方面的外骨骼机器人系统主要用来增强普通士兵的能力，可以让普通士兵成为在负重较大的情况下依旧可以跳过较高物体和快速奔跑的超级士兵。 * 助行外骨骼机器人发展应用 外骨骼下肢助行机器人的研究始于20世纪 60 年代末期，主要在欧美等一些发达国家展开，最初的外骨骼助力机器人分别在两个地点几乎同时产生，分别是美国和南斯拉夫，美国研究这技术的最初目的是增强人的能力, 往往是用于军事目的, 而前南斯拉夫的目的是用来辅助残障人。 上述两个项目都以失败告终，下肢外骨骼机器人的研究在其后经过一段时间陷入沉寂。 但到世纪末, 下肢外骨骼机器人又重新得到世界各国的关注,世界上很多 国家都积极地投入到研究中。下面分别介绍一些在下肢外骨骼方面比较成熟的研究成果。 “哈迪曼”由 30 个水压力动力源和伺服随动铰链组成，体积巨大，重约 680 公斤，具有 30 个自由度，为上肢和下肢提供助力帮助，控制系统采用主-从控制模式，最终能够将四肢的力量放大 25 倍。 * 1978 年，美国麻省理工学院研究出“被动式外骨骼助力机器人”。MIT的外骨骼下肢助力机器人能够在负载 36公斤的情况下行走 1m/s，其中 80%的负重被传递到地面上。它的关节自由度配置包括髋关节有 3 个自由度，膝关节 1 个自由度。穿戴者与机器人在肩膀、腕关节、大腿和脚部连接，机器人总重量是 11.7Kg。 驱动方式不采用电力驱动，只利用弹簧储能和变阻尼器驱动关节驱动。髋关节伸/屈运动时，伸运动时弹簧释放能量，屈运动时弹簧储存能量，膝关节利用磁流变阻尼器，踝关节利用碳纤维弹簧缓冲脚后跟对地面的冲力。传感器系统是由安装在外骨骼下肢助力机器人外壳的应变桥式应变片传感器和安装在膝关节的电位计组成。 * 2004年，加州大学伯克利分校的下肢外骨骼机器人BLEEX。由一个用于负重的背包式外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动力设备组成, 使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源, 以全面增强人体机能。 BLEEX的每条腿具有个7自由度(髋关节3个, 膝关节1个,踝关节3个）,在该装置中总共有40多个传感器以及液压驱动器, 它们组成了一个类似人类神经系统的局域网。BLEEX的负重量能达到75kg,并以0.9m/s的速度行走, 在没有负重的情况下,能以的1.3m/s速度行走。 * 目前,洛克希德·马丁公司和伯克利分校共同研制了新一代外骨骼机器人HULC, 这款新型外骨骼继承了BLEEX的优点, 对一些液压传动装置和结构进行了优化设计, 不但能够直立行进, 还可完成下蹲和甸甸等多种相对复杂的动作, 穿上后能够明显降低人体对氧气的消耗量。 在一次充满电后, 可保证穿着者以4.8km/h的速度背负90kg重物持续行进一个小时。而穿着HULC的冲刺速度则可达到16km/h。HULC穿戴起来也非常方便, 士兵只需将腿伸进靴子下方的足床, 然后用皮带绑住腿部、腰部以及肩部即可,完全脱下需30秒的时间. * 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 * 2005年，日本筑波大学研制出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