外骨骼康复机器人研究现状及关键技术

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 （）和表面肌电信号（）。
• 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；
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 ()设计的伯克利·布里克外骨骼机器 人（），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。
• 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
• ：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 和不稳定性；
应用
一、外骨骼机器人的研究现状
日本公司开发的 ，重量近吨，身高达 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 量近吨的重物，机械臂则可以完成所有类 型的工作。
wenku.baidu.com
外骨骼是一款肌肉机器人，外形与 蜘蛛人类似，长有条腿，直径达到米。 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。 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
日本科技公司“赛百达因 ”研制的是一款半机器人，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。(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
机甲外骨骼机器人， 高约，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。
信号
信号是一种低频信号，能量 主要集中在，以上显著减弱，其 中绝大部分频谱集中在之间。
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变化，信号由强 度和传播方向不同，在分属不同运动单 元的肌纤维上传播的多个在信号拾取区 域叠加而成的，这使得测量具有一定的 随机性。
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： （）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（）； （）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；（） （）能在不同的环境使用，如：楼梯， 草地等。
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。
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
、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：
信号是一种交流电压信号，其 幅值与肌力大致成正比关系，肌肉 松弛、紧张度与电压幅度之间存在 着近似线性关系。
信号是一种微弱的电信号 ，正常肌肉运动单元电位幅 值一般为μ，最高不超过，经 叠加后的肌电信号幅值范围 为：μ。
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；
• 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 •
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• • • • •
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
代表：美国伯克利分校研制的主 力机械服系列
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系列
。
电机驱动
定义：以压缩空气为工作介质进行能量传递和控
大家好
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。
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。
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。