下肢外骨骼机构的研究与仿真讲解

国内外研究现状
新加坡南洋理工大学的罗锦发教授(Low KinHuat)研发的Lower Extremity Exoskeleton.该 系统主要由两个部分所组成:内侧外骨骼和 外侧外骨骼.
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内侧的外骨骼绑缚在人的下肢上，利用关节 处的编码器来测量行走时的关节角度信号; 外侧的外骨骼用来提供助力，根据内侧外骨 骼测得的关节角度值通过电机来提供动力。 他们的另外一个主要工作在该原型系统上利 用零力矩点(ZMP)理论进行了外骨骼行走稳 定性方面的研究。
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HAL-5，在2005年日本爱知世博会上展出,不 但能帮助使用者走路，还有上半部能辅助使 用者的手臂，使用者穿戴上这种装置，就能 提起比原本所能负荷还要更重40公斤的东西。 重15公斤,售价14000美元-19000美元
图片来自 http://sanlab.kz.tsukuba.ac.jp/english/img/r_h al.png
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加州大学伯克利分校的人体工程实验室在 2004年推出的BLEEX(BkereleyLowerExert而 tyExoskeleton)外骨骼系统.由两条动力驱动的 仿生金属腿、一个动力供应单元和一个用 于负重的背包架组成。该系统使用混合动力， 即使用液压能驱动双腿行走，同时对随身携 带的计算机供应电能。 图片来自 http://64.202.120.86/upload/image/articles/2 007/engine-on-a-chip/bleex-exoskeleton.jpg
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Байду номын сангаас
由前苏联圣彼得堡的研究者开发，重87千克。 1970年
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由前南斯拉夫的Vukobratovic开发，用于截 瘫病人的行走恢复治疗，该系统由气缸驱 动.1971年
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由日本筑波大学的山海嘉之教授所领导的 Cybernics Lab开发的HAL(Hybrid Assistive Limb) 系列下肢外骨骼用于协助步态紊乱的病人 行走。HAL-3是套下肢装，专门设计来帮助 下肢残障者或是老人们，能方便地进行日常 生活中的许多动作，像是走路、上下楼梯等 等。它采用了角度传感器、肌电信号传感器 和地面接触力传感器等传感设备来获得外骨 骼和操作者的状态信息。它的所有的电机驱 动器、测量系统、计算机和无线局域网络， 以及动力供应设备都整合到背包中。使用装 在腰间的电池进行供电。HAL拥有混合控制 系统，包括自动控制器进行诸如身体姿态的 控制，以及基于生物学反馈和预测前馈的舒 适助力控制器。重22公斤
浙江大学杨灿军教授设计的可穿戴式的下肢 步行外骨骼机构.采用了三个旋转运动副， 并分别将其布置在外骨骼上人体下肢三个关 节的相应位置，用来模拟三个关节的转动， 旋转副采用销轴方式来具体实现。 另外，为了提高外骨骼的运动灵活性以及方 便行进过程中的转向，在髓关节处还布置了 额外的旋转副.
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下肢外骨骼机构的研究与仿真
Agenda
• • • • 国内外研究现状 人体行走机理分析 下肢外骨骼的建模与仿真 参考文献
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Hardyman，该系统由通用电气(General Electric)研发，用于增强士兵的持重及负重 能力，操作者操纵内侧的外骨骼，由液压驱 动的外侧外骨骼对人提供助力，但是它的最 大的缺点就是笨重、不稳定且不安全。重 1500磅,30个自由度.1960年 图片来自 http://www.frc.ri.cmu.edu/~hpm/project.archi ve/Image.Archive/other.robots/Hardyman.jpg
浙江大学杨灿军教授设计的可穿戴式的下肢 步行外骨骼机构.采用了三个旋转运动副， 并分别将其布置在外骨骼上人体下肢三个关 节的相应位置，用来模拟三个关节的转动， 旋转副采用销轴方式来具体实现。 另外，为了提高外骨骼的运动灵活性以及方 便行进过程中的转向，在髓关节处还布置了 额外的旋转副.
图片来自http://www.we.kanagawa-it.ac.jp/~yamamoto_lab/pas/index.htm
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瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)在汉诺威2001年世界工业展览会上展出的名 为LOKOMAT的康复机器人模型。
图片来自 http://radio.weblogs.com/0105910/images /lokomat_2.jpg
图片来自 http://radio.weblogs.com/0105910/imag es/lokomat_1.jpg
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德国弗朗霍费尔研究所(FRANHOFER INSTITUT IPK)研制的绳驱动式康 复机器人.
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清华大学研制的卧式下肢康复训练机器人样机
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外骨骼上共安装有40多个传感器和液压驱动 器，它们共同构成了一个局域网络，该网络 向计算机提供必要的信息，计算机根据这些 信息了解操作者当前的状态，并据此对人的 负载情况实时进行必要的调整。操作者身着 重达100磅的外骨骼，同时背上70磅的背包 在房间里行走，他所感觉到的重量只有5磅。 图片来自bleex.me.berkeley.edu/CV/Ryan/R1BLEEX.jpg
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日本神奈川(Kanagawa)工科大学Yamamoto教 授研发的的Wearable Power Assit Suit.外套选 用了微型气泵、便携式镍锡电池和嵌入式微 处理器使系统的动力提供和控制系统极其小 型化。整个装置的金属结构由硬铝合金加工 而成，重约30公斤。
图片来自www.we.kanagawa-it.ac.jp
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肘部、腰部和膝部的关 节驱动采用新式的可直 接驱动的旋转位移式气 动驱动器，肌肉力量信 号的采集采用布置于上 臂、大腿和腰部的肌肉 硬度传感器测得。微处 理器在收到传感器的输 出信号之后，计算出保 持某个姿势的所需的关 节力矩，然后输出控制 信号给PWM驱动电路， 以驱动旋转气缸的动作。