外骨骼康复机器人研究现状和关键技术课件
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2020/3/29
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。
二、外骨骼机器人的关键技术
外骨骼机器人的控制模型可 以分为:感知层,控制层,决策 层。
应用
2020/3/29
一、外骨骼机器人的研究现状
日本Tmsuk公司开发的T52 Enryu,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的工作。
2020/3/29
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
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 2020/外3/29骨骼却仍在帮助着很多患者。
பைடு நூலகம்
由美国国防高级研究计划局 (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
日本科技公司“赛百达因” 研制的HAL-5是一款半机器人,它 装有主动控制系统,肌肉通过运动 神经元获取来自大脑的神经信号, 进而移动肌与骨骼系统。HAL(混 合辅助肢体)可以探测到皮肤表面 非常微弱的信号。动力装置根据接 20收20/的3/2信9 号控制肌肉运动。
机甲外骨骼机器人,高 约5.48m,由美国阿拉斯加 州工程师洛斯·欧文斯发明, 由内部的驾驶员操控行走。
• 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极, 将其安置在皮肤表面拾取肌肉活 动的电位
sEMG传感器
外骨骼机器人 相关传感器
• 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
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。
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20发20/展3/29的技术瓶颈。
应变式力传感器 压阻式力传感器 压电式力传感器
二、外骨骼机器人的关键技术
1、sEMG传感器
表面肌电信号因不同的个体、肌肉而存在差异,但仍具有以下几点共性:
sEMG信号是一种交流电
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,气压驱动和电 机驱动。
二、外骨骼机器人的关键技术
液压驱动
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,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;
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 功率系统;
2020/3/29
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二、外骨骼机器人的关键技术
• 肌电信号可分为:针电极肌电信 号 (NEMG)和表面肌电信号 (sEMG)。
• 特点:信号形态具有较大的随机性 和不稳定性;
• 优点:无创性、实时性、多靶点测 量
光电编码器
• 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
•2020/结3/29构:由光栅盘和光电检测装置组成
力传感器 • • •
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
脑控外骨骼系统:由美国密 歇根州大学神经力学实验室设计 ,可实现骨骼、肌肉与神经系统 之间的交互作用,所有骨骼和肌 肉均有大脑直接控制。
一、外骨骼机器人的研究现状
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。
主要内容
31 外骨骼机器人的研究现状 2 外骨骼机器人的关键技术 3 可穿戴式康复外骨骼机器人 4 外骨骼机器人的发展趁势
2020/3/29
1
一、外骨骼机器人的研究现状
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。
✓ 代表:美国伯克利分校研制的 主力机械服BLEEX系列
气压驱动
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。 电 机 驱 动
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。
二、外骨骼机器人的关键技术
外骨骼机器人的控制模型可 以分为:感知层,控制层,决策 层。
应用
2020/3/29
一、外骨骼机器人的研究现状
日本Tmsuk公司开发的T52 Enryu,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的工作。
2020/3/29
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
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 2020/外3/29骨骼却仍在帮助着很多患者。
பைடு நூலகம்
由美国国防高级研究计划局 (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
日本科技公司“赛百达因” 研制的HAL-5是一款半机器人,它 装有主动控制系统,肌肉通过运动 神经元获取来自大脑的神经信号, 进而移动肌与骨骼系统。HAL(混 合辅助肢体)可以探测到皮肤表面 非常微弱的信号。动力装置根据接 20收20/的3/2信9 号控制肌肉运动。
机甲外骨骼机器人,高 约5.48m,由美国阿拉斯加 州工程师洛斯·欧文斯发明, 由内部的驾驶员操控行走。
• 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极, 将其安置在皮肤表面拾取肌肉活 动的电位
sEMG传感器
外骨骼机器人 相关传感器
• 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
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。
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20发20/展3/29的技术瓶颈。
应变式力传感器 压阻式力传感器 压电式力传感器
二、外骨骼机器人的关键技术
1、sEMG传感器
表面肌电信号因不同的个体、肌肉而存在差异,但仍具有以下几点共性:
sEMG信号是一种交流电
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,气压驱动和电 机驱动。
二、外骨骼机器人的关键技术
液压驱动
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,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;
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 功率系统;
2020/3/29
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二、外骨骼机器人的关键技术
• 肌电信号可分为:针电极肌电信 号 (NEMG)和表面肌电信号 (sEMG)。
• 特点:信号形态具有较大的随机性 和不稳定性;
• 优点:无创性、实时性、多靶点测 量
光电编码器
• 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
•2020/结3/29构:由光栅盘和光电检测装置组成
力传感器 • • •
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
脑控外骨骼系统:由美国密 歇根州大学神经力学实验室设计 ,可实现骨骼、肌肉与神经系统 之间的交互作用,所有骨骼和肌 肉均有大脑直接控制。
一、外骨骼机器人的研究现状
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。
主要内容
31 外骨骼机器人的研究现状 2 外骨骼机器人的关键技术 3 可穿戴式康复外骨骼机器人 4 外骨骼机器人的发展趁势
2020/3/29
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一、外骨骼机器人的研究现状
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。
✓ 代表:美国伯克利分校研制的 主力机械服BLEEX系列
气压驱动
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。 电 机 驱 动