外骨骼机器人-PPT课件

外骨骼系统工作原理
装备外骨骼的士兵在此套系统的帮助下能够轻松实现负重 长途行军，跋涉于车辆不易行驶的路面，完成侦察、作战 等任务。外骨骼与士兵人机合一，人提供智慧，外骨骼提 供承载能力，即所谓的“人在回路中”，充分发挥人与机 器各自的优势。外骨骼全身布置了传感器，通过安装在各 部位的传感器获得各项数据（包括各种能量及角度以及扭 矩等）并传递到中央控制处理器，中央控制处理器经过计 算来调整外骨骼的动作，通过驱动装置使其完成与士兵相 同的一系列下肢动作。下肢外骨骼工作原理如下图：

外骨骼设计结构示意图
外骨骼机器机器人系统下肢 控制原理：其机械结构由与 人类同步行走的两条金属的 腿、将重力传递到地面的 脚、能够实现转身动作的腰 部以及放置重物的后背托架 四部分组成，其中包括传 感、动力输出装置及执行元 件、控制系统以及能源系统 等都是实现外骨骼与士兵共 同完成负重行军任务所不可 缺少的。
外骨骼机器人的设计要求：
1、可穿戴性：外骨骼要具有良好的可穿戴性。不需要经 过专业训练即可非常容易、顺利而快速地穿脱。 2、可调节性：外骨骼应能适应各种身材的士兵穿着，其 长度及宽度方向都应能调节以适应高、矮、胖、瘦不同的 士兵。 3、相互干扰小：尽量减小对人体数据的测量，减小人 与外骨骼的直接接触面，减小之间的相互干扰，从而减小 对人体各方面的限制。 4、轻巧：要求外骨骼尽量轻巧、舒适，减小总体质量， 节省能源。
外骨骼机器人技术
第三组
课件制作：陈强 资料提供：李治友、田鹏琪、陈小勇、张红英、
徐义都、郭章飞、赵云江、庹顺德 视频提供：邓进浪、冯志钦
从生物学的角度上来讲，一般是把虾、蟹、昆虫等 节肢动物体表坚韧的几丁质的骨骼称为 外骨骼 ， 它有保护和支持作用。有时也指软体动物的贝壳和 棘皮动物石灰质的板和棘。 节肢动物的体表覆盖 着坚硬的体壁。体壁由三部分组成：表皮细胞层， 基膜和角质层。表皮细胞层由一层活细胞组成，它 向内分泌形成一层薄膜，叫做基膜，向外分泌形成 厚的角质层。角质层除了能防止体内水分蒸发和保 护内部构造外，还能与内壁所附着的肌肉共同完成 各种运动，跟脊椎动物体内的骨骼有相似的作用， 因此被叫做外骨骼。
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外骨骼机器人
概念：外骨骼本指昆虫或 甲壳类动物身体外表的骨 骼，具有支撑和保护作用， 而军工企业却因此受到启 发，根据仿生学原理，利 用特殊材料制成机械化装 置套在士兵身体上，以增 强士兵的负重、机动和打 击能力。 一旦佩戴外骨骼机器 人，将成为一名“超级” 士兵，力量将放大10几倍， 可携载更多的武器装备， 武器威力增强，防护水平 提高，同时可克服任何障 碍，高速前进，不会让士 兵产生疲劳感。
外骨骼机器人的设计结构
外骨骼机器人在人的控制 下负重行走,人提供思维、 判断、决策和控制能力;外 骨骼发挥其强劲的承载能 力,人机合一,协调合作,共 同完成行军、侦察、单兵 作战等任务。因此,它包括 外骨骼脚、行走跨步的两 条腿、实现转身的腰部、 托放行李的后背架,以及能 量控制单元等部分(右图为 下肢外骨骼总体结构)。
2、肌电控制
1851年法国科学家Dubois-Reymond首次提出肌肉传感的 问题，如今，肌电信号（electromyograms，EMGs）模型 已经从线性模型发展到非线性模型，广泛应用到肌电传感 器的设计和应用中。Rosen研究了基于EMG信号驱动的手 臂外骨骼系统。试验表明操作者可以用很小的力就可以操 作外部负载。下肢外骨骼中最成功的应用EMG信号的是 日本的HAL，HAL采用EMG信号来辨识人的运动意识， 它考虑了人腿具有的粘性特性和弹性特性，基于阻抗控制 方法研究了HAL的粘性特性的控制，对肌肉的粘弹性特 性进行了深入的分析，使得穿上HAL的操作者运动起来感 觉非常舒适。肌电传感有其自身的优点和缺点。传感器每 次都要贴到人体表面，使用不方便。
3、预编程控制
有些外骨骼装置通过预先编好的程序来运行，操作者 只能进行有限的干预。下肢运动矫正装置用来帮助瘫痪者 恢复运动能力。装置的运动轨迹是预先编程设计好的，设 计时根据正常人的运动步态来设计并有所改动以适应于矫 正装置。有源步态矫正装置是针对那些腿部受到物理损伤 的患者设计的，通过预先编好的程序，控制机械关节模拟 正常人的行走步态，带动患者运动，帮助患者进行行走训 练的康复装置设计了一些预先编好程序的运动，同时，通 过安装在脚底的力传感器来计算应该分配在每个关节上的 力矩。Colombo的步态矫正器同样是一个位置控制装置， 程序控制参数（如步幅、速度）可以根据患者的不同进行 调节。所有这些基于程序控制的康复矫正装置都需要患者 使用手杖或者额外的辅助框架来保持操作者行走的稳定，
1、操作者控制
有些外骨骼中是用于康复中心的，它有外部能源 驱动的步态矫正装置。这些装置主要是下肢外骨 骼，用于支撑重量，对操作者进行下肢康复训练。 这些装置的命令信号一般来自于健康的肢体。例 如，由Yano设计的外骨骼中使用了一个开关和地面 反作用力传感器，通过操作者的控制，驱动髋关节 运动，改变脚底离开地面的距离。这种方法的缺点 是，操作者的上肢只能用来发布命令，而不能进行 其他的活动，并且操作者必须连续不停地发布命 令，不仅浪费了体力，而且操作者的运动也变得很 不自然。
外骨骼控制方法
外骨骼机器人和其他机器人的 最大区别在于它的操作者是 人，而不是机器，操作者处于 回路中，即“人在回路中 （ManinLoop）”，操作者与 外骨骼具有实实在在的物理接 触，形成了一个人机耦合的一 体化系统。人机耦合系统的控 制目的是使人和机器能够协调 地工作。现在世界各国研制的 外骨骼机器人控制方法如下：
5、鲁棒性：包括以下几个方面：①外骨骼材料要坚固 使其能足以负担重物。②各执行机构与控制算法要有好的 性能，确保外骨骼各项功能准确、可靠、及时地实现。③ 机构强度要足以应付士兵的任何战术动作带来的冲击载 荷。 6、柔顺、舒适性：下肢外骨骼的运动与人腿的运动要 具有很好的协调性。其结构、自由度的配置要与人体结构 与自由度相匹配。使穿着者感觉柔顺自然，不会有大的干 扰，外骨骼脚落地时的冲击要小，尽量让穿着者感觉舒 适。 7、待机时间：要保证能长时间地提供外骨骼运动的能 源供应，能源装置要尽量的轻便，确保士兵长距离行军。 8、降低成本：在能够实现功能的情况下尽量降低产品 成本。