气动技术及外骨骼机器人浅析

气动技术与外骨骼机器人
机械电子工程吴
一、外骨骼的介绍
1.1 电影中的外骨骼
在科幻小说，以及很多的科幻题材的影视剧中，我们经常能够看到这样一种特殊的机甲：它能够穿戴在人体外表，具备辅助动力，借以提高人类的战斗力。

这样的装备即被称作可穿戴机器人。

《阿凡达》中的机器人《钢铁侠》中的可穿戴式机器人
1.2 外骨骼简介
外骨骼的概念：外骨骼技术实质上可以理解为是一种可穿戴式机器人技术，为操作者提供了诸如保护，身体支撑、运动辅助等功能。

技术：传感、控制、信息、融合、移动计算。

应用：将人类的智力和机器人的“体力”结合在一起，使得外骨骼能够在操作者参与的控制模式下完成仅靠操作者或者外骨骼自身能力无法单独完成的务任。

特点：
（1）、与通常的智能系统相比，柔性外骨骼和操作者组成的人一外骨骼系统并非简单地给系统添加人工智能或者决策能力，而是借鉴人机智能系统理论，有效地将人和机器在感知、决策以及执行等多个层次上进行有机地结合，
（2）、充分发挥人的智能在整个任务操作过程中的作用以及机器的执行能力。

人机智能外骨骼系统的基本控制框图
控制系统中操作者，就是人本身，也成为控制系统中的一个组成部分，即“人在回路中(Man in Loop)”。

这样，将人与机械的合理结合，相比自主控制的机器人，既能够保证更强的整体性能，又极降低了技术门槛。

1.3外骨骼的应用
1、军事领域：
士兵佩戴可穿戴机器人后，将成为一名超级士兵，拥有无
穷的力量，可携载更多的武器装备，火力威力增强，防护水平
提高，同时可克服任何障碍，高速前进，不会产生疲劳感。

无
论是前线作战的士兵，还是负责后勤的工兵，都能够保持高强
度、长时间的作战，同时也降低了后勤运输的压力。

这样，在
不增加军队人数的情况下，可将部队战斗力翻倍，甚至更高。

对
一支军队的整体作战能力而言，将是一个极大的提升。

美国五角大楼早在20世纪70年代，就经研究认为，未来士兵应当全面实现机械化和自动机器人化，并责成国防高级研究计划局负责，拨款5000万美元从事这一领域可穿戴机器人项目的研究。

2、医疗领域
主要是协助残障人士。

如独立行走，以及生活中的简单动作；也可以有针对性地应用于下肢康复训练。

经典的几种外骨骼机器人：
1）、HAL-5
筑波大学的山海嘉之教授创立的
Cyberdyne公司研制出混合助力肢体（HAL）
外骨骼机器人。

HAL-5自身质量21kg，可
以自我支撑，所以使用者穿上它之后不会
感觉有负担。

由挂在腰际的锂电池提供能
源的HAL-5至少可以帮助使用者增加40kg
的抬起或举起能力。

HAL-5 控制系统:
没有使用用力传感器，而是使用贴附在人体皮肤上的电极检测微弱的生物电流来判断使用者想要出力的方式。

记忆并模仿使用者的动作特点，例如某一条腿比较无力，这样可以更密切地配合使用者，也可以解决某些人生物电流较弱的问题
2）、松下的机器人体外骨骼Power Loader
Light
这套外骨骼分别在臀部、膝盖和脚
踝等关节处配备伺服电机，这些电机由
位于鞋底的六轴感应器发出的信号控
制。

可以帮助分担约60公斤的负重。

还
有一些负重由连接到背部电池的、自行
车座椅状的支撑座来分担。

3）、瑞士Hoa AG公司的Lokomat
下肢康复用外骨骼机器人，通常是一套
依照仿生设计的机械腿，运作时系在患者行
动不便的肢体上。

它能根据患者的身体情
况，引导患者进行适当强度的活动，以训练
下肢行走，防止肌肉萎缩，刺激身体失去运
动能力的部分。

4）、伯克利外骨骼
伯克利公司的外骨骼机器人，可以让丧失下肢行走能力的人员，独立行走。

这对很多期望摆脱轮椅的患者来说，是个最合适的礼物。

1.4 设想以下：
如果能够将外骨骼的自主能力进行提升，同时改进其结构，是否能够成为完整的双腿行走机器人。

这样，很多全身瘫痪的病人，也将有行走的希望。

二、康复训练的应用
2.1 康复训练的简介
1.运动康复主要是指通过肢体的主动运动和被动运动, 逐步恢复肢体的运动功能。

2.肢体的恢复性训练包括上肢、下肢和手的运动训练。

3.随着科技的进步, 运动康复的实现手段正从传统的采用治疗师辅助病人进行运动训
练转变为采用各种康复器械甚至康复机器人帮助患者进行康复。

传统康复训练的方式：
A.在康复早期阶段
由于患者的运动能力较弱, 往往需要被
动式训练, 即在外力帮助下进行肢体的运
动。

虽然病人不是主动运动, 但研究表明,
这样的运动对于神经的康复和避免肌肉的
废退是非常有帮助的。

B.康复后期
在患者能够主动运动的情况下, 可以采用主动式训练。

但
由于患者的一些功能没有完全恢复, 此时也需要一些辅助装
置。

2.2使用外骨骼进行康复训练
针对传统康复训练，对医务人员体能负担较高的问题，考虑使用外骨骼进行辅助康复训练：
1.一套可以调节辅助动力的外骨骼机器人，可以完成整个康复训练程序。

2.初期阶段：针对患者的病情，提供较大的辅助动力，使其能够被动的行走，刺激
患者的神经系统。

期间，由外骨骼提供其步态的矫正。

3.中期及后期：随着康复的进程，逐渐减小驱动力，提升患者在行走过程中的自主
能力，直至最终恢复。

2.3外骨骼进行康复训练的优势
1.一套外骨骼对应一位患者，减轻了医务工作的负担。

2.可以让患者循序渐进的训练，并且自我行走，不拘泥于某个单调的固定设备，极大
提升患者的心理状况。

3.对于陪护人员，可以辅助搬运，提高医护人员工作效率，降低劳动强度。

2.4外骨骼进行康复训练的缺点
1.单套设备价格较高，无法大规模使用。

2.多数外骨骼都是刚性结构，采用金属材料制成，在提供了很强的负载能力的同时，
也造成了很大的惯性因素，因而其步态误差会很难消除，而这种误差会对人体造成疼痛甚至损伤。

3.驱动力由液压和电机供给，对相对脆弱的人类身体来说，也具有一定危险性。

4.单套设备，仅用电池作为能源供给，续航能力不足。

2.5 改进思路——柔性外骨骼机器人
使用气动驱动设备的柔性外骨骼机器人：
1.安全性，柔顺性；
2.廉价性；
3.轻便性。

三、气动技术的应用
3.1柔性外骨骼机器人方案
哈佛大学开发柔性的体外骨骼Soft Exosuit
哈佛大学的“维斯生物工程研究所”（Wyss Institute for
Biologically Inspired Engineering）开发的一款柔软的体外骨骼
Soft Exosuit。

Soft Exosuit使用了一些启动人工肌肉。

气动人工肌肉位于
用户的脚踝、膝盖和臀部等关键部位，表面覆盖柔性薄膜，所
以功能上和外观上更像一套人造肌肉
外骨骼质量仅为7.5公斤，由背后的一个空气压缩机驱动。

研究人员最终会把压缩机搭载在衣服里面，从而更加适合快速穿戴。

由气动人工肌肉组成的基本驱动单元，可以提供
更安全的驱动力。

3.2方案分析
第一步：测量人体关节参数指标
第二步：执行机构设计和选型气动人工肌肉的参数：
测量长度：200mm
外径：3/8 inch（9.525mm）
径：1/4 inch（6.3mm）
1 Bar=0.1Mpa
由表中的力与位移曲线，可以看出：
1、工作压力越大，其产生的拉力越大
2、同等压力下，拉伸变形越小，拉力越大。

也就是说，在工作压力下，人工肌肉在原始长度下提供最大拉力。

最终选择工作压力为0.4Mpa，而不是最高工作压力。

虽然牺牲了一定的拉力性能，但可以保证更好的安全性。

所需长度，由工作时各个关节所需拉力计算得出。

第三步：设计合理的连接点
1)橙色部分代表气动人工肌肉，成对分布，通过有配合的拉伸产生踝关节，膝关节
和大腿关节所需力矩。

2)红色圆点为固定点。

固定点连接人工肌肉，传递拉伸作用力。

3)黑色部分为不可延伸
的束带。

束带附着在
身体体表面，将固定
点传递来的拉力，有
目的地进行传递，以
应对人体的负荷。

束带与固定点的作用图示
1、大腿处的人工肌肉提
供拉力F1，由于自身在膝关
节处的弯曲，作用于VA1固定点上时，力的方向向上。

2、在VA1处，拉力F1与束带作用力F2，以及很微小的切向力F3，三个力达到平衡
由此可见，大部分作用力被束带吸收，对人身体的作用力很小。

四、总结
随着科技的进步，更多的材料技术和电子技术，将能够为外骨骼机器人的发展提供便利条件。

相信，不久的将来，外骨骼将会变得更加普遍，能够走进我们生活的方方面面。