外骨骼康复机器人研究现状及关键技术

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 外骨骼却仍在帮助着很多患者。
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。
外骨骼康复机器人研究现状及关键 技术
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
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。
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。
• 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
• 结构：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
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；
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）。
二、外骨骼机器人的关键技术
2、力传感器
利用弹性变形进行测 量及变换的元件，输入量 为力（力矩）或者压力， 输出应变或者位移，再由 传感器将其转换为电信号 输出。如：弹簧、波纹管
弹性敏 感 元件
压电效应：某些物质受 到外力作用，几何尺寸 发生变化，物体表面产 生电荷形成电场，当外
压电式 力传感
器
力传感 器
，在分属不同运动单元的肌纤维上 传播的多个MUAP在信号拾取区域 叠加而成的，这使得测量具有一定 的随机性。
正是由于相同肌群sEMG信号规律性和不同肌群sEMG信号差异性的存在（人体完成
不同动作，肌电信号有所差别，不同个体执行相同动作，肌电信号相似），才使得利用
sEMG传感器作为人机接口来控制外骨骼机器人成为可能。
四、可穿戴式康复外骨骼机器人
上肢5自由度为：(1)肩 关节侧展自由度；(2)肩 关节屈伸自由度；肘关 节屈伸自由度；前臂旋 转自由度； 手腕屈伸自由度。下肢 外骨骼的 4 个自由度为 ： 髋关节侧展自由度；髋 关节屈伸自由度； 膝关节屈伸自由度；踝 关节屈伸自由度。
四、可穿戴式康复外骨骼机器人
四、可穿戴式康复外骨骼机器人
压阻式 力传感
器
100倍。优点：1.分辨率高，尺 寸小 2.横向效应小，滞后和蠕变小
3.响应频率高，适合动态测量
由弹性元件、电阻应变片组成 应变式 用来测量力的应变式传感器。优点 力传感 ：
器 1.精度高，测量范围广； 2.使用寿命长，性能稳定可靠，输 出特性的线性度好；3.结构简单， 尺寸小，重量轻； 4.响应频率高，适合测量动态过程
缺点：无法输出轴转动的绝对位置信息
绝对式：利用二进制方式进行转换，直接输出数 字量，圆形码盘上有透光、不透光的的扇形 区间组成，根据读出的编码，检测绝对位置 。
优点：可直接读出角度坐标的绝对值，没有累积 误差，电源切除后，位置信息不会丢失
缺点：分辨率由二进制的位数来决定，N位二进 制分辨率的编码器，其码盘必有N条码道。
✓ 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
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；
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 源发展的技术瓶颈。
五、外骨骼机器人的发展趋势
现有的下肢外骨骼机器人还存在以下几方面的问题：
质量问题 柔性安全 噪音问题 舒适度问题
体积较大，动作笨拙 环境的适应性和运动的灵活 性较差
与操作者的预期动作不吻合 不能灵活适应不同的操作者
自适应能力较弱 自学习能力不够
移动范围和工作时间受限 寻求新能源技术
四、可穿戴式康复外骨骼机器人
由于不可能对不同的患者一一进行精确的建模，我们采用了类似于人机学习观察器的 自适应控制方法来让机器学习出系统应有的动力学模型前馈。这种控制方法使得我们 能够让机器人克服运动过程中的阻尼来引导患者完成所需要的运动动作，并且根据患 者完成情况逐渐减少出力，最终直到外骨骼完全不用出力、完全通过患者自身的肌肉 发力来完成所期望的运动动作。同时，这种算法也可以同时识别出机器人的运动模型， 在运动的过程中进行前馈补偿。
四、可穿戴式康复外骨骼机器人
图6上图为运动的期望轨迹 qr、实际轨迹 q 和误差 e。下图为运动过程中肘关节电机的 电流。由图 6 可看出，随着运动的进行，肘关节的运动误差越来越小，表示算法逐渐学 习出了系统的运动模型，同时电流维持平稳，没有发散。 图7 为一组腕关节的运动轨迹图，因为关节本身受力较小，所以初始误差较肘关节更小 。算法同样逐渐学习出了系统的运动模型，电流维持平稳，没有发散。
在未来进行下肢外骨骼机器人研制时，应选择坚固、轻型且有弹性 的材质，并且外骨骼机器人应具有高度的灵活性，使得使用者穿着作 业时感到轻松自在 ，而不是受到约束。另外对于外骨骼机器人的动 力源，携带的能源必须能够维持24小时的工作，而且必须轻且完全无 声：应发展热效率高和污染较低的新型能源，如燃料电池，保证外骨 骼机器人能长时间作业。
力消失时，材料重新恢
复原状的现象。 压磁式 力传感 器
压磁效应：一些铁磁材料在受到外力作用后
，其内部产生应力，引起铁磁材料磁导率变化
的现象。
特点：输出信号大，抗干扰性好，过载能力强
压阻效应：半导体材料在
某一方向上受到压力作用时，
他的电阻率会发生显著变化。
其 灵 敏 度 比 金 属 应 变 片 高 50-
应用
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。
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。
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
sEMG信号是一种微弱的电信
压信号，其幅值与肌力大致成
号，正常肌肉运动单元电位幅值
正比关系，肌肉松弛、紧张度 与sEMG电压幅度之间存在着 近似线性关系。
二、外骨骼机器人的关键技术
3、光电编码器
根据光电编码器的刻度方法及信号输出形式，可将其分为：增量式，绝对式和混合式三种
类型。
增量式：输出3路方波脉冲，A、B、Z相，
A,B两组脉冲相位差90°，用于判断方向
，Z相位为每转一个脉冲，用于基准点
定位。
优点：原理构造简单，机械寿命长，抗干扰
能 力强，可靠性高，适合长距离传输
• 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
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。
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。
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五、外骨骼机器人的发展趁势
1、下肢 外骨骼机器人应具有较强的学习能力
人类的行走存在着“个性化”差别，而且根据路况，使用的行走动作也 是随机的，很难使用一个固定的模式来描述行走过程，所以很难得到一 个固定的输出设定，而这个行走动作预设参数的设定却至关重要，必须 使用这项参数来控制各种情况下的动作。故下肢外骨骼机器人未来发展 最重要的一个方向就是具有学习的能力，也即是：针对它的每一个使用 者，“学习出”一套最适应使用者行走习惯的运动模式。 2、下肢外骨骼机器人必须轻巧和工作效率高
五、外骨骼机器人的发展趁势
3、下肢外骨骼机器人必须安全和稳定可靠
外骨骼机器人需要满足安全性、有效性和舒适性的要求。安全性体现了 安全第一的设计准则：有效性体现了外骨骼机器人的设计目的；舒适性 则是面向应用的关键因素。
一般为100μV-2mV，最高不超 过5mV，经叠加后的肌电信号幅 值范围为：2μV-5mV。
sEMG信号是一种低频信
sEMG信 号
sEMG信号是一种非平稳随机信 号，其统计学特性随时间的变化而
号，能量主要集中在10-
变化，信号由强度和传播方向不同
1000Hห้องสมุดไป่ตู้，300Hz以上显著减 弱，其中绝大部分频谱集中在 50-150Hz之间。
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 收的信号控制肌肉运动。
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。
二、外骨骼机器人的关键技术
人体
外骨骼机器人
四、可穿戴式康复外骨骼机器人
理论基础：研究表明：许多中风、脑外伤及其他神经系统疾病或骨骼损伤患者 ，其脑部仍具有残余的神经肌肉支配能力，并可以通过密集的、重复的带有任务 的动作使其进行重新构造。
Armeo Power
Armeo Spring
Armeo Boom