助行外骨骼机器人

Rewalk
Walking assist
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韩国西江大学研制的外骨骼助 行机器人。该外骨骼结构上的显著 特点是整个装置由外骨骼和手推车 两个部分组成。所有的驱动元件,包 括电池、电机及控制器等较重的周 边设备都布置在手推车中。 他们采用类似于机电信号的肌 纤维膨胀信号, 利用绑在大腿和小腿 上的气囊内的气体的压力变化来测 得, 而在人腿自由摆动, 肌纤维不膨 胀时, 则利用关节处的角度传感器的 信号来触发驱动器的动作。
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结论
助行外骨骼机器人作为一种新兴的技术，在民用和军用领 域都具有广阔的发展应用前景。随着科技的不断发展，外骨 骼技术也将会不断的创新与进步。未来的助行外骨骼机器人 系统将会更加适合操作者，我们未来的生活会因为它的广泛 应用而改变。
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谢谢
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发展趋势
现有的下肢外骨骼机器人还存在以下几方面的问题体积大, 重量重, 噪音大，对地面的适应性和运动的灵活性还需进一步 提高，与使用者的步态还不完全协调，能源的重量较重而且不 耐用。基于以上问题和下肢外骨骼机器人的应用背景, 其未来 发展呈现出以下几个趋势： 1.智能化 2.人机耦合 3.模块化 4.微型化
WEAR XOS外骨骼机器人
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2005年，日本筑波大学研制出了世 界上第一种商业全身式外骨骼助行机器 人HAL，它的功能主要是帮助老年人和残 疾人走路，爬楼梯及搬东西等。 这款机器人是全身式的外骨骼助力 机器人，髋关节和膝关节处通过铰链连 接并只有1个自由度，利用谐波直流电机 驱动，踝关节是被动的。 HAL系列的助行外骨骼机器人是通过 分析人体表皮肌电信号进行控制的。它 拥有两个控制系统：一个是以肌电信号 为基础的系统，一个是以步行模式为基 础的系统。通过分析这两个系统来判断 使用者的运动意图。
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美国萨克斯公司完成的第一款外骨骼机器人 是WEAR。2008年4月, 成功研制出外骨骼机器人XOS, 如图所示。外骨骼机器人XOS代表了外骨骼领域最 尖端的技术。它利用附在身体上的传感器, 可以毫 不延迟地反应身体的动作, 输出强大的力量。当穿 上XOS时, 能举起200磅的重物就好像举20磅的, 可 以连续举50一500次。目前XOS有一个重大缺陷, 就 是利用自带的电池只能使用40分钟。
“哈迪曼”由 30 个水压力动力源 和伺服随动铰链组成，体积巨大，重 约 680 公斤，具有 30 个自由度，为 上肢和下肢提供助力帮助，控制系统 采用主-从控制模式，最终能够将四肢 的力量放大 25 倍。
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1978 年，美国麻省理工学院研究出“被动式 外骨骼助力机器人”。MIT的外骨骼下肢助力机器 人能够在负载 36公斤的情况下行走 1m/s，其中 80%的负重被传递到地面上。它的关节自由度配置 包括髋关节有 3 个自由度，膝关节 1 个自由度。 穿戴者与机器人在肩膀、腕关节、大腿和脚部连接， 机器人总重量是 11.7Kg。 驱动方式不采用电力驱动，只利用弹簧储能和 变阻尼器驱动关节驱动。髋关节伸/屈运动时，伸 运动时弹簧释放能量，屈运动时弹簧储存能量，膝 关节利用磁流变阻尼器，踝关节利用碳纤维弹簧缓 冲脚后跟对地面的冲力。传感器系统是由安装在外 骨骼下肢助力机器人外壳的应变桥式应变片传感器 和安装在膝关节的电位计组成。
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以色列埃尔格医学技术公司研发外骨骼助行机器人Rewalk， 总重 18Kg，运动速度是 1Km/h，能够连续工作 8 小时。它可 以完成行走、站立、坐下、爬楼梯，上坡和下坡等动作。 本田电机公司2008年研制了一款步行助力机器人“Walking assist”总重2Kg的助行机器人有两个电机驱动，能够连续工 作2小时，步行速度达到4.5km/h，它可以帮助单腿受到损伤的 穿戴者。
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目前,洛克希德·马丁公司和伯克利 分校共同研制了新一代外骨骼机器人HULC, 这款新型外骨骼继承了BLEEX的优点, 对 一些液压传动装置和结构进行了优化设计, 不但能够直立行进, 还可完成下蹲和甸甸 等多种相对复杂的动作, 穿上后能够明显 降低人体对氧气的消耗量。 在一次充满电后, 可保证穿着者以 4.8km/h的速度背负90kg重物持续行进一 个小时。而穿着HULC的冲刺速度则可达到 16km/h。HULC穿戴起来也非常方便, 士兵 只需将腿伸进靴子下方的足床, 然后用皮 带绑住腿部、腰部以及肩部即可,完全脱 下需30秒的时间.
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美国芝加哥康复研究所的外骨骼机器人Lokomat。它主 要由步态矫形器、先进的体重支援系统和跑步机组成。 通过直接安装在动力装置上的力转换器增加了测量患者 活动能力的功能, 而且可以使步态援助水平得到调整, 使导引 力从零到最大范围进行调节, 以适应不同使用者腿的锻炼。
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国内对外骨骼下肢助力机器人的研究开始与 20 世纪初，目 前外骨骼下肢助行机器人的研究正处于起步阶段。 中科大智能所研究的可穿戴型助行机器人，具有10个自由度， 系统利用表皮肌电信号分析穿戴者的运动意图。 浙江大学研制出了多自由度下肢外骨骼助行机器人，驱动器 使用气动驱动，髋关节和膝关节驱动器为圆形气缸。它可以将足 底压力信号和气缸的位移控制信号直接关联起来，能够较好的判 断穿戴者的运动意图。
助行外骨骼机器人
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主要内容
助行外骨骼展趋势 结论
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外骨骼机器人
外骨骼机器人：
外骨骼机器人是一种人工外骨骼，也是一种机械机构，能穿戴在人 体外部，可以给人提供保护、额外的动力和能力，增强人体机能，使得 操作者能轻松地完成很多艰难的活动和任务。
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助行外骨骼机器人
助行外骨骼机器人是下肢外骨骼机器人，属于外骨骼机 器人的一种，也是应用最为广泛的一种。 目前的助行外骨骼机器人系统的研制和应用可以分为民 用和军用两大类。 民用方面的外骨骼机器人系统主要用于辅助残疾人、老 年人和丧失部分运动能力的病人行走；军用方面的外骨骼机 器人系统主要用来增强普通士兵的能力，可以让普通士兵成 为在负重较大的情况下依旧可以跳过较高物体和快速奔跑的 超级士兵。
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上海大学研制一种下肢康复训练机器人，由外骨骼助行器， 减重机构和跑步机构成。髋关节、膝关节、踝关节各一个自由 度，共六个自由度实现在矢状面内运动，通过反复的训练来帮 助患者逐步恢复行走能力
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关键技术
1.助行外骨骼机器人的步态分析与步态稳定性控制 步态分析是人体下肢外骨骼设计的重要依据和工具。由 于人体下肢外骨骼跟随人体下肢一起运动,辅助操作者承载,首 先考虑的就是下肢外骨骼应与操作者具有协调一致的动作,与 人体下肢具有相同的自由度和运动形式。因此,分析人体下肢 自由度、研究人体步态是设计下肢外骨骼实现行走的基础。 2.助行外骨骼机器人多传感器的选择与信息融合 传感器是实现自动控制的首要环节。下肢外骨骼机器人 的传感器就如同人的神经一样重要, 通过他们感知获取操作者 以及外骨骼的各种运动及数据, 才使得整个系统能够按照预期 的目标运动。
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2000年，神奈川理工学院研 制的全身式外骨骼机器人主要用 于护士搬运和移动病人等工作， 该机器人可以轻松的搬运85kg的 病人。机器人是由肩部，手臂， 后背，腕部和腿部机械单元组成 的。它的驱动器采用设置在肩部、 腕部和腿部微型旋转气动驱动器。 传感器系统由具有称重功能 的肌肉传感器。控制方法采用主 从控制，各机械单元一旦发生运 动，这运动将被肌肉传感器检测 到，力度的不同由称重传感器的 触头检测到，并由气动驱动器驱 动关节跟随运动。
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3.助行外骨骼机器人的控制系统 与两足行走机器人的控制不同, 下肢外骨骼机器人不仅要 考虑对机构本身的控制, 还要在控制策略上考虑与使用者的相 适应问题。下肢外骨骼机器人必须能够同步跟随使用者的动作, 能够加强使用者的力量并模仿人类的各种动作, 包括战场上的 前后左右移动躲闪, 故控制算法比较复杂。 4.助行外骨骼机器人的驱动方式与能源 驱动方式的合理选择对下肢外骨骼机器人的结构和性能也 有很大的影响。下肢外骨骼通常采用的驱动方式有三种电机驱 动, 液压驱动, 气压驱动。三种驱动方式各有优缺点，应用时需 要根据实际分析选择。
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2004年，加州大学伯克利分校的下肢外 骨骼机器人BLEEX。由一个用于负重的背包式 外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动 力设备组成, 使用背包中的液压传动系统和 箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源, 以全面增强人体机能。 BLEEX的每条腿具有个7自由度(髋关节3 个, 膝关节1个,踝关节3个）,在该装置中总 共有40多个传感器以及液压驱动器, 它们组 成了一个类似人类神经系统的局域网。BLEEX 的负重量能达到75kg,并以0.9m/s的速度行走, 在没有负重的情况下,能以的1.3m/s速度行走。
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助行外骨骼机器人发展应用
外骨骼下肢助行机器人的研究始于 20世纪 60 年代末期，主要在欧美等一些 发达国家展开，最初的外骨骼助力机器人 分别在两个地点几乎同时产生，分别是美 国和南斯拉夫，美国研究这技术的最初目 的是增强人的能力, 往往是用于军事目的, 而前南斯拉夫的目的是用来辅助残障人。 上述两个项目都以失败告终，下肢外 骨骼机器人的研究在其后经过一段时间陷 入沉寂。 但到世纪末, 下肢外骨骼机器人 又重新得到世界各国的关注,世界上很多 国家都积极地投入到研究中。下面分别介 绍一些在下肢外骨骼方面比较成熟的研究 成果。