几种外骨骼机器人技术详解
《兵工学报》多关节外骨骼助力机器人发展现状及关键技术分析_宋遒志
Soft Exosuit、PerseusMEA 系统［14］，新加坡南洋理工 大学 外 骨 骼 （ NTU Exoskeleton） ［15］、勇 士-21［16］ 等。 针对搬运弹药、物资及挂弹等任务的全身外骨骼助 力机器人，最具代表性的是 XOS、BE． 1） HULC 和 MIT 外骨骼
在 2004 年 ～ 2008 年，美国加州大学伯克利分 校研发了三代外骨骼 助 力 机 器 人［17 － 18］，即 第 一 代 BLEEX、第 二 代 ExoHiker 和 Exoclimber、第 三 代 HULC． 随后在 2009 年，HULC 项目被美国洛克希 德·马 丁 公 司 收 购 ，进 行 了 多 次 实 验 和 改 进 。 其 每 条腿有 7 个自由度，髋关节和膝关节的屈曲 / 伸展 由液压驱动。这一系列外骨骼的参数对比如表 1 所示，其中，第 二 代 两 个 型 号 的 参 数 差 别 较 大，这 是 由 于 其 应 用 目 的 、髋 关 节 驱 动 方 式 不 同 造 成 的 ； ExoHiker 的髋关 节 采 用 的 是 气 弹 簧 被 动 助 力，主 要用于 长 距 离 负 重 行 走 任 务； 而 Exoclimber 是 在 ExoHiker 基础上 进 行 了 改 进，增 加 了 髋 关 节 液 压 缸主动助 力，用 于 长 距 离 负 重 上 下 楼 梯，上 下 坡。 HULC 系统［19］自重为 24 kg（ 不含电池） ，最大负重 可以达到 91 kg，搭 载 两 块 总 质 量3. 6 kg的 锂 聚 合 电池（ 后续准备研发燃料电池供电系统，工作时间 增加到 72 h） ，可保证穿戴者以4. 8 km / h的速度持 续行进 2 h． 且在无负载的情况下，冲刺速度则可 达到 16 km / h．
面向下肢外骨骼机器人的人体运动意图感知关键技术
SVM是一种监督学习算法，适用于小样本数据分类，能够将输入空间
划分为不同的类别，可以用于人体运动意图的分类。
02 03
神经网络（NN）
NN是一种非线性映射方法，通过前向传播和反向传播进行训练，能够 自动提取特征，具有强大的泛化能力，可以处理复杂的非线性问题，适 合处理人体运动意图感知任务。
随机森林（RF）
模型训练
01
采用适当的机器学习或深度学习算法，对提取的特征进行训练
，以得到能够准确感知人体运动意图的模型。
模型评估
02
通过实验验证和对比分析，对所训练的模型进行评估，包括准
确性、鲁棒性和实时性等方面。
模型优化
Байду номын сангаас
03
根据评估结果，对模型进行优化和改进，以提高其性能和适应
性。
THANKS
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下肢外骨骼机器人应用领域
01
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医疗康复领域
下肢外骨骼机器人可用于 辅助患者进行康复训练， 提高康复效果。
助老助残领域
下肢外骨骼机器人可用于 帮助老年人或残疾人进行 日常生活活动，提高生活 质量。
工业搬运领域
下肢外骨骼机器人可用于 工业生产中的货物搬运， 提高生产效率。
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人体运动意图感知技术基础
基于计算机视觉的感知方法
通过摄像头捕捉人体运动图像，利用计算机视觉技术对图像进行处 理和分析，提取出运动意图信息。
基于混合方法的感知方法
结合基于传感器的感知方法和基于计算机视觉的感知方法，提高运 动意图感知的准确性和稳定性。
人体运动意图感知技术挑战
传感器精度和稳定性问题
个体差异和多样性问题
由于传感器自身限制，采集的数据可 能存在误差和噪声，影响运动意图感 知的准确性。
下肢外骨骼人机交互及协调控制的研究
下肢外骨骼人机交互及协调控制的研究下肢外骨骼是一种用于支持和辅助人类移动的机器人装置。
它通过将机器人技术与人体生理学相结合，可以提供运动控制和力量增强，使残疾人和行动不便的人能够行走、坐下和站立。
下肢外骨骼通常包括机械臂、电机、传感器、控制系统等组件。
下肢外骨骼的主要研究方向之一是人机交互。
在这方面，研究人员的主要目标是设计一种符合人体生理学特点的操控界面。
这样，使用者可以通过肌肉信号、神经信号和机器人传感器来与机器人进行互动和控制。
此外，人机交互也包括机器人对使用者的姿态调整和适应性改变，以适应人体各种动作和姿态。
另一个重要的研究方向是协调控制。
这是一种适应性控制技术，能够根据使用者的姿势自动调整外骨骼的姿态。
这项技术通常采用反馈机制，通过传感器检测使用者的运动和姿态来自动调整外骨骼的运动。
这样，外骨骼可以更好地支持使用者的运动，并减轻使用者的运动不适。
总的来说，下肢外骨骼人机交互及协调控制的研究，是探索人体机器人协同控制的重要一步。
这一领域的研究成果将有助于推动人体机器人协同控制技术的发展，并为临床康复、残疾人康复和机器人辅助运动提供更多选择。
单兵外骨骼装备技术简介
单兵外骨骼装备技术简介作者：葛水平杨陈君陈耀凯来源：《中国新技术新产品》2016年第14期摘要：当前世界上很多国家，为了应对不断变化的军事变革，都在大力提升自己的单兵作战能力，而这就要依托于先进的武器装备，使得士兵的负重也大大增加，增大了作战难度。
而外骨骼装备的出现及应用将改变这种局面。
它不但可以增强士兵的负重能力，是一个非常不错的武器搭载平台，同时可以提升士兵的机动性和防御能力。
因此外骨骼技术作为一项前沿科技，势必在未来战场上起到很大的作用，具有十分广阔的应用前景。
关键词：单兵系统；外骨骼；应用前景中图分类号：TP311 文献标识码：A一、外骨骼技术介绍外骨骼（Exoskeleton）这一名词，来源于生物学昆虫和壳类动物的坚硬外壳，它是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型，建筑和保护的坚硬的外部结构。
人体外骨骼系统是一个穿戴在操作者身体外部的：“机器人”他能对穿戴者提供支撑保护的同时还可以为人体提供额外的动力和感知能力，可以大大地增加人体机能。
外骨骼技术是人体与机器的完美融合，穿戴者和外骨骼成为了一个闭环的协同系统。
机器通过多种传感器实时感知穿戴者的运动状态和运动意图，并进行实时分析，快速做出反应，以实现人机多自由度、多运动状态的运动辅助，并对穿戴者的行为运动进行放大，提升人体机能。
（一）单兵外骨骼技术的研究背景未来战争，越来越趋近小型化、特种化，所以单兵作战能力就显得越来越重要，战场上要求士兵拥有超强的作战能力及侦查能力，但是有时候受到地形、负重等因素的限制，人体机能的极限已经无法适应瞬息万变的战场情况。
在这种情况下，能够提高士兵身体机能的外骨骼装备就成为解决这个问题的最好方案。
（二）国内外研究现状目前，大多数国家对于外骨骼的研究都还属于初步阶段，比较先进的有美国和日本。
而我国对外骨骼领域的探索比较晚，但随着外骨骼机器人在社会上的需求量不断增大，我国也在这个领域投入了比较大的研究力量，也取得了一些成果。
《兵工学报》多关节外骨骼助力机器人发展现状及关键技术分析_宋遒志
收稿日期： 2015-06-01 基金项目： 国家部委研究项目（ 40404110102） 作者简介： 宋遒志（ 1966—） ，男，教授，博士生导师。E-mail： qzhsong@ bit． edu． cn；
王晓光（ 1987—） ，男，博士研究生。E-mail： wangxiaoguang24@ 126． com
1 国外研究现状
国外从 20 世纪 60 年代就开始对外骨骼助力机 器人技术进行研究，早期的代表如美国康奈尔航空 实验室的 Man-Amplifier 外骨骼［6］，以及美国通用电 气公司的 Hardiman 外骨骼［7 － 9］。由于受到传感、计 算机、控制及能源等技术的限制，未能有实际应用和 进展。随后，美国国防高级研究计划局（ DAＲPA） 于 2000 年启动了“增强人体体能外骨骼 （ EHPA） ”计 划［10 － 12］，将外骨骼助力机器人的研究推向高潮。外 骨骼助力机器人从功能应用上主要分为： 一种是增 强健康人体负载能力； 另一种是增强伤残及行动不 便的人体关节力量。本文分别从负重外骨骼助力机 器人和 康 复 外 骨 骼 助 力 机 器 人 两 方 面 进 行 归 纳 分析。 1. 1 负重外骨骼助力机器人
摘要： 外骨骼助力机器人突破了传统运载工具易受地形条件影响的限制，在军用领域和民用 领域都展现了巨大的应用前景，是当前各国研究的热点。从负重外骨骼助力机器人和康复外骨骼 助力机器人两个方面，综述了国内外多关节外骨骼助力机器人的发展现状。重点分析了人机匹配 性设计、驱动方式、步态检测、人机协同行走控制策略以及助力效果评估等关键技术，并对多关节外 骨骼助力机器人今后的研究方向及研究重点进行了展望。
中也能 让 外 骨 骼 对 人 体 运 动 的 干 涉 最 小 化。Soft Exosuit 的髋、踝关节的屈曲 / 伸展由电机卷扬鲍登 线进行驱动，当鲍登线没有被驱动时，外骨骼在行走 过程中也能通过弹性纺织带对穿戴者产生辅助力 矩［23 － 24］。
外骨骼机器人控制原理与设计
外骨骼机器人控制原理与设计嘿，朋友们！今天咱就来唠唠外骨骼机器人控制原理与设计这档子事儿。
你说这外骨骼机器人啊，就像是给人穿上了一套超级装备！它能帮咱干好多事儿呢，就像给咱加了一股神奇的力量。
咱先说说这控制原理哈。
你可以把它想象成是大脑指挥身体行动一样。
外骨骼机器人也有自己的一套“大脑”系统，能感知人的动作和意图，然后迅速做出反应，配合人一起行动。
这就好比你和一个特别默契的伙伴一起做事儿，你一个眼神，它就知道你要干啥。
那这“大脑”是咋工作的呢？这里面可就有好多门道啦！有各种传感器，就像人的眼睛、耳朵一样，能收集各种信息，然后通过复杂的电路和算法，转化成机器人能懂的语言。
这是不是很神奇？就好像它能听懂咱的心里话似的。
再说说这设计。
那可得精心雕琢啊！要考虑人的身体结构、活动范围，还得让机器人穿起来舒服，不能太笨重。
这就跟咱买衣服一样，得合身、得好看、还得穿着舒服。
要是设计得不好，那可就成了累赘啦！你想想，要是外骨骼机器人设计得不合理，要么这儿卡一下，要么那儿磨得慌，那还咋用啊？所以设计师们可得下大功夫，把每个细节都考虑到。
而且啊，这外骨骼机器人的应用那可广了去了。
在医疗领域，能帮助那些行动不便的人重新站起来，走起来，这多了不起啊！在工业领域，工人可以借助它干重活，减轻身体负担，这不是挺好的嘛！咱中国在这方面也发展得很不错呢！科研人员们不断努力，让我们的外骨骼机器人越来越先进。
这就像我们的高铁一样，从无到有，从落后到领先，多让人自豪啊！这不就是科技的魅力吗？它能让我们的生活变得更加美好，能帮我们做到以前想都不敢想的事情。
所以啊，大家可别小瞧了这外骨骼机器人，它的未来可不可限量呢！咱就等着看它给我们带来更多的惊喜吧！这可不是我在吹牛，不信你就等着瞧！。
几种外骨骼机器人技术详解
BLEEX外骨骼- 关键技术
依据传感器信息，基于最小化人机交互作用设计控制策略，控制BLEEX伴随人体运动，保证了人体运动的安全、自由。
BLEEX外骨骼- 关键技术
混合能量供给单元，液压驱动关节运动，电源供给传感、计算和控制系统； 电路采用高速同步环状网络拓扑结构，保证数据采集、处理的实时性。
构造材料：外骨骼必须用坚韧、轻质且有弹性的复合材料制成。
能量源：外骨骼的能量必须足以支持24小时以上，并且便携、噪声小。
控制：使用者在穿上该设备后能够正常活动。
驱动：设计者必须使机器能够顺畅移动，以便穿用者不会太笨拙。与发动机一样，促动器也必须安静而高效。
05
生物机械学：外骨骼的结构必须像人体一样带有可弯曲的关节。
HAL外骨骼机器人- 应用实例
HAL最新产品应用于福岛核电站的清理工作，外骨骼可以防止核辐射，极大提高工作效率
HAL外骨骼机器人- 市场分析
HAL康复设备已于2008年市场化，目前仅在日本向公共机构出租，租金每个月US$2000。产品于2013年获得了全球安全认证，将投入批量化生产，预计前期每年产量500~800套，前期仍以出租的方式投入市场，对其它国家出租价格每月US$1300~US$3900。由于有巨大的市场需求，市场效益十分可观。
22.5°
10°
无效
髋关节外展
7.9°
16°
53°
髋关节内收
6.4°
16°31°ຫໍສະໝຸດ 外侧完全旋转13.2°
35°
73°
内侧完全旋转
1.6°
35°
66°
BLEEX外骨骼- 关键技术
BLEEX外骨骼- 关键技术
BLEEX的关节与人下肢关节匹配，连杆长度可调
机器人外骨骼技术发展趋势
机器人外骨骼技术发展趋势随着科技不断发展，机器人外骨骼技术逐渐走进了人们的视野。
机器人外骨骼是一种由高科技材料制成的可穿戴设备，其内部装有电机、气压泵、传感器等部件，可以帮助人类进行各种动作。
目前，机器人外骨骼广泛应用于医疗、工业、军事等领域，随着技术的不断进步，机器人外骨骼将具有更多的应用。
1.医疗领域机器人外骨骼在医疗领域的应用最为广泛，尤其是在康复和治疗方面。
例如，在脑卒中、脊髓损伤、帕金森病等疾病的治疗中，机器人外骨骼可以帮助患者进行康复锻炼，加速恢复过程。
此外，机器人外骨骼还可以通过传感器获取患者的生理数据，为医生提供更准确的诊断依据。
随着机器人外骨骼技术的发展，未来将出现更加智能化的康复设备。
这些设备将通过深度学习和人工智能技术进行自主控制和优化，将有助于更好地帮助患者进行恢复训练。
2.工业领域在工业领域，机器人外骨骼技术同样具有重要的应用价值。
例如，在装配生产线上，工人经常需要进行重复性劳动，容易导致手部和腰部的疲劳和伤害。
机器人外骨骼可以帮助工人减轻负担，提高工作效率。
此外，由于机器人外骨骼具有高强度、高可靠性等特点，因此还可以进行危险作业，为人类减轻风险，提高安全性。
未来，机器人外骨骼在工业领域的应用将更加广泛。
特别地，随着机器人外骨骼技术的不断发展，其智能化和自主化将不断提高，自主控制的机器人外骨骼将会成为工业生产的主要形式，大大提高了生产效率和安全性。
3.军事领域机器人外骨骼技术的应用也在军事领域得到广泛的关注，包括战场机器人、装甲车、武器与预警系统等。
例如，在爆炸物排除任务中，士兵必须在危险区域内进行搜查和排除，而机器人外骨骼可以帮助他们进行这项任务。
通过远程操控机器人外骨骼，士兵可以避免危险区域的直接接触。
此外，机器人外骨骼还可以提高士兵和装甲车的机动性和战斗力。
未来，机器人外骨骼在军事领域的应用将会更加广泛。
特别地，随着机器人外骨骼技术的不断发展，其智能化和自主化将不断提高，成为承载军事使命的重要手段。
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HAL外骨骼机器人- 关键技术
HAL的双控制系统设计
运动意图估计
步态参考模型
HAL外骨骼机器人- 应用实例
HAL辅助残疾患者进行康复训练，提升患者训练的自主性，提 高康复效率，到2013年，已有160套HAL外骨骼在医疗机构应 用于康复训练测试。
HAL外骨骼机器人- 应用实例
HAL最新产品应用于福岛核电站的清理 工作，外骨骼可以防止核辐射，极大提 高工作效率
BLEEX外骨骼- 关键技术
• 拟人化结构设计技术
人步行时的 最大值 踝关节弯曲 踝关节伸展 踝关节外展 踝关节内收 膝关节弯曲 14.1° 20.6° 无效 无效 73.5° BLEEX的 最大值 45° 45° 20° 20° 121° 男性军人平 均最大值 35° 38° 23° 24° 159°
• BLEEX的受驱动关节都装有航空轴承，克服偏轴距和摩 擦力的影响，保持小断面、无间隙和低摩擦特性。 • BLEEX每条腿装有40多个不同类型传感器，实时获取运 动及力等信息。
BLEEX外骨骼- 关键技术
• 依据传感器信息，基于最小化人 机交互作用设计控制策略，控制 BLEEX伴随人体运动，保证了人 体运动的安全、自由。
科 幻 中 的 超 级 战 士 佩 戴 BLEEX
的 士 兵
BLEEX外骨骼- 技术指标
• BLEEX有两个动力拟人腿，单腿有7DOF （髋关节3DOF，膝关节1DOF，踝关节 3DOF） • 连杆采用轻质钛合金材料 • 混合液动—电动能量供给单元，能源可
维持20h持续工作
• 直线液压驱动（小巧/轻质/大力） • 自重38kg，最大负载37kg，最大负载步 行速度0.9m/s，无负载步行速度1.3m/s
HAL外骨骼机器人- 市场分析
HAL康复设备已于2008年市场化，目前仅在日本向公共 机构出租，租金每个月US$2000。产品于2013年获得了 全球安全认证，将投入批量化生产，预计前期每年产量 500~800套，前期仍以出租的方式投入市场，对其它国家 出租价格每月US$1300~US$3900。由于有巨大的市场需 求，市场效益十分可观。
HAL外骨骼机器人- 研发历程
HAL（Hybrid Assistive Limb）由的山海嘉之教授创立Cyberdyne公司研制。 HAL-5于2005年亮相爱知世博会，并获最佳发明奖，2012年已有130多家医疗 机构使用，2013年成为世界上首个获得全球安全认证的外骨骼机器人。
HAL外骨骼机器人- 技术指标
外骨骼机器人
1
外骨骼机器人
外骨骼机器人：将人的智力和机器人的“体力”完美 结合，在助力、助老、助残及军事领 域有广阔应用前景
2
BLEEX外骨骼机器人- 研发背景
• 加州大学伯克利分校于2000年在美国国防部“增强人体机 能的外骨骼”(EHPA)项目的资助下，研制一种机器骨骼 。未来士兵佩戴外骨骼机器人后，将成为一名超级士兵， 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。2005 年进行外骨骼（BLEEX）样机试验测试。
ห้องสมุดไป่ตู้
HAL外骨骼机器人- 研发意义
• 随着老年人口的增多，助老成为许多国家面临的关键社会 问题 • 提高肢体残疾患者自主生活/工作能力一直是全世界助残事 业的重点 • 增强体力劳动者的劳动能力，辅助劳动者在危险环境（如 地震灾区）中尽快完成繁重劳动
HAL外骨骼机器人 旨在辅助体弱或运 动不便人群正常运 动；并能增强劳动 者体力，提高劳动 者的工作效率
髋关节弯曲
髋关节伸展 髋关节外展 髋关节内收
32.2°
22.5° 7.9° 6.4°
121°
10° 16° 16°
125°
无效 53° 31°
外侧完全旋转
内侧完全旋转
13.2°
1.6°
35°
35°
73°
66°
BLEEX外骨骼- 关键技术
• BLEEX的关节与人下肢关节 匹配，连杆长度可调
BLEEX外骨骼- 关键技术
BLEEX外骨骼技术拓展
• Berkely Bionics公司于2009年研发了第三代军用 外骨骼HULC™
• HULC使用者可灵活的进行 下蹲、匍伏和上肢举重 • 自重24kg，最大负载90kg ，适用身高1.62m至1.87m 的使用者，使用者30s内 可以脱下 • 持续最大速度11km/h，爆 发速度16km/h • 8块锂电池可供HULC工作 96小时
外骨骼机器人- 关键技术
• 外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融 合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿 戴的机械机构的综合技术，核心部分包括以下几 个方面：
1、构造材料：外骨骼必须用坚韧、轻质且有弹性的复合材料制成。 2、能量源：外骨骼的能量必须足以支持24小时以上，并且便携、噪 声小。 3、控制：使用者在穿上该设备后能够正常活动。 4、驱动：设计者必须使机器能够顺畅移动，以便穿用者不会太笨拙 。与发动机一样，促动器也必须安静而高效。 5、生物机械学：外骨骼的结构必须像人体一样带有可弯曲的关节。
ExoHiker™
• 为大负载，长 时工作设计
• 自重14kg，负 载68kg
ExoClimber™ • 除了大负载和长
时特征，可以快 速上下台阶/斜坡 • 自重22kg，负载 68kg
• 佩戴1磅的电 池，以4km/h 的速度，行进 70km
• 噪声微小 • 穿戴后不妨碍 驾驶车辆
• 佩戴1磅的电池， 在最大负载条件 下，至少爬183m 斜坡 • 噪声类似一台办 公打印机
BLEEX外骨骼- 关键技术
• 混合能量供给单 元，液压驱动关 节运动，电源供 给传感、计算和 控制系统；
• 电路采用高速同 步环状网络拓扑 结构，保证数据 采集、处理的实 时性。
BLEEX外骨骼技术拓展
• 为市场化BLEXX技术成立的Berkely Bionics公司，研发了 第二代军用外骨骼ExoHiker™和ExoClimber™
• HAL-5是全身型外骨骼系统，高1.6m， 重约23kg，下肢约15kg • 全身共26DOF，每条腿有8DOF • 充电电池，工作电压100V
• 连续工作时间2小时40分
• 实现站、坐、走、蹲及上下台阶等运动
• 最大负载70kg
• 行走速度可达到4km/h
• 使用前，需要30分钟的训练
HAL外骨骼机器人- 关键技术
电机驱动各个运动关节，HAL包括EMG电极、足底压力传感 器、编码器等多种记录人机运动状态的传感器，信息传输到中 央处理器进行分析处理。
HAL外骨骼机器人- 关键技术
HAL通过捕获激发人体运动的神经电信号（肌电信号）识别人的运动意图， 基于运动意图实现自主控制。
HAL外骨骼机器人- 关键技术
HAL基于人体运动步态分析，记忆使用者的运动特征作为参考值，控制外骨 骼实现平滑运动。
谢 谢！
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