外骨骼康复机器人研究现状及关键技术资料讲解

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。
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。
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。
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。
✓ 代表：美国伯克利分校研制的 主力机械服BLEEX系列
气压驱动
Βιβλιοθήκη Baidu
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
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）。
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。
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。
• 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
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
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。
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。
• 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
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；
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。
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
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。