助行外骨骼机器人. - 360文档中心

外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真

ｂａｓｉｓ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｌｌｂｅｃａｒｒｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｆｕｒｔｈｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｊｏｉｎｔｔｏｒｑｕｅ，
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（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏ０８１，Ｃｈｉｎａ）
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辅助行走外骨骼机器人的测控系统设计

辅助行走外骨骼机器人的测控系统设计马徐峰;王英【摘要】针对目前存在的残疾人及老年人行走不便的问题,对三维模型设计制作、脚底压力检测、多传感器数据融合等方面进行了研究.对传感系统搭建、检测判断人体行走状态以及进行意图识别的算法进行了归纳,提出了一种基于STM32 ARM Cortex-M3内核单片机等技术的辅助行走外骨骼机器人系统,进行了行走意图识别效率以及辅助行走效果测试.研究结果表明:该系统能实时检测使用者的身体运动参数并进行存储,实现智能检测、意图识别、辅助行走等多项功能,通过预设步态轨迹算法实现辅助行走;系统穿戴舒适、响应迅速、可靠性高.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2019(036)001【总页数】5页(P95-99)【关键词】外骨骼机器人;多传感融合;行走训练;意图识别;预设步态轨迹算法【作者】马徐峰;王英【作者单位】浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江杭州310018;浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TP240 引言目前，社会上有许多人因为无法得到较完善的康复行走训练，长时间无法恢复正常行走能力[1]，大多数医院都采用不具备行走能力的机械结构来帮助患者做身体运动，无法从根本上起到康复助行的效果，于是辅助行走外骨骼机器人应运而生。

根据工作原理，辅助机器人可分为可以自适应式下肢外骨骼机器人和基于跑步机的减重训练外骨骼机器人[2]。

基于跑步机的减重训练外骨骼机器人通过将使用者吊起来减轻其脚底承受的重力，运动范围较小，与医院内不具备行走能力的机械结构并无大异，使用者的体验一般；自适应式下肢外骨骼机器人能帮助使用者保持平衡，识别行走意图，并辅助行走，具有良好的交互性，其原理是：以人体的行为意识为基础，外骨骼机器人的各个关节位置均装有特定的伺服运动控制系统，为各关节的运动提供动力，外骨骼机器人工作时关节角度值、加速度值会不断变化，伺服运动系统的工作状态需根据外骨骼机器人的这些状态来不断切换[3]。

液压驱动下肢助力外骨骼机器人膝关节结构设计及试验

肢外骨骼作为全身外骨骼的基础，其结构设计对系统性能有着显著影响。为了能达到较大的助力幅值，下肢助力外骨骼多采用液压驱动，其结构设计多采用仿生学设计方法［１５－１９】。外骨骼作为较新的机器人类别，日本首次将其应用于农业领域，外骨骼的发展及应用将推动农业
实现最优化的结构设计以降低对系统压强、液压缸尺寸的要求，通过仿生学分析人类正常步行时的步态数据，依据准拟人化设计准则，采用ＣＡＤ设计软件、数值计算等方法，给出了液压驱动膝关节的设计过程，并通过ＭＡＴＬＡＢ等仿真软件进行了验证。基于确定的模型参数，进行了结构设计及平台搭建，并进行了穿戴试验。仿真及试验结果表明，该方法
类机器人ｌ】之】。外骨骼技术最早出现于２０世纪６０年代，但自从美国加州大学伯克利分校研制成功第一款能源可携带的可穿戴式下肢助力外骨骼之后，作为一种典型的人机交互机器人ｌ３］，外骨髂机器人再次得到了国内外高
校、研究院所乃至企业的重视。Ｚｏｓｓ等ｌ６Ｊ在美国军方支持下研制成功了第一款下肢助力外骨骼ＢＬＥＥＸ，该外骨骼旨在增强士兵背负重物的
第３３卷第５期
农业工程学报
ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｂｌ－３３ＮＯ．５Ｍｆｌｙ．２０１７

外骨骼机器人的设计与控制

外骨骼机器人的设计与控制一、引言近年来，随着科技的不断发展，外骨骼机器人作为一种前沿的机器人技术，引起了人们的广泛关注。

外骨骼机器人，是一种可以模拟人体肢体结构，通过机械装置的协助，增强人的运动功能及承重能力的机器人。

外骨骼机器人在军事、医学及民用方面等多个领域具有广泛的应用前景。

二、外骨骼机器人的设计（一）外骨骼结构设计外骨骼结构设计是外骨骼机器人设计的重要环节，主要包括外骨骼机器人的结构设计及材料选择。

外骨骼机器人必须具备高强度、轻量化、耐磨损等特性，设计者需要根据应用场景的不同，选择合适的材料和结构形式。

目前，常见的外骨骼结构设计有骨骼结构、气压驱动结构、电动驱动结构等多种形式。

（二）动力设计外骨骼机器人需要强大的动力支持，才能满足复杂的动力需求。

外骨骼机器人的动力支持可以采用电动助力、气动助力、液压助力等多种方式，设计者需要根据应用场景的需求，选用合适的动力系统。

（三）传感器及控制系统设计外骨骼机器人需要高效的传感器及控制系统来实现机器人的控制及运动。

传感器主要用于感知机器人的环境信息，包括机器人的姿态、位置、力等信息。

控制系统主要用于实现机器人的控制，包括关闭/开启外骨骼机器人、稳态控制、动态控制等功能。

三、外骨骼机器人的控制外骨骼机器人的控制是外骨骼机器人设计的重要环节，控制策略是实现外骨骼机器人稳定控制的核心。

外骨骼机器人的控制可以采用PID控制、LQR控制、模糊控制等多种方式，下面将以LQR控制为例进行介绍。

（一）LQR控制LQR控制（线性二次调节控制）是一种优化控制方法，主要用于线性动态系统的控制。

LQR控制依据系统动态特性，设计优化控制器进行系统稳态控制。

LQR控制具有设计简单，控制精度高等优点，近年来在外骨骼控制领域得到了广泛的应用。

（二）LQR控制在外骨骼机器人中的应用外骨骼机器人的控制主要包括稳态控制与动态控制。

稳态控制指的是机器人在不进行运动时的稳定性控制；动态控制指的是机器人运动时的力矩控制。

几种外骨骼机器人技术详解

几种外骨骼机器人技术详解外骨骼机器人是一种以增强人类身体机能为目标的机器人，它采用物理学、生理学、力学和电子学等多种学科的知识和技术进行研发。

外骨骼机器人在医疗、军事、工业和娱乐等领域中都有广泛的应用。

本文将介绍外骨骼机器人的几种技术，包括机械式外骨骼、液压式外骨骼、气压式外骨骼和神经控制式外骨骼。

机械式外骨骼机械式外骨骼是一种由机械构造组成的外骨骼，通过人机接口传递外部控制信号来控制机械式外骨骼的运动。

机械式外骨骼主要由外骨骼结构、传递力矩机构和外骨骼控制器组成。

机械式外骨骼的优点是结构简单、制造成本低廉、维护保养容易。

但机械式外骨骼的缺点是结构笨重、运动自由度有限、对人体影响较大等。

液压式外骨骼液压式外骨骼是一种由液压机构构成的外骨骼，通过液压传动来实现加强人体动力功能的一种技术。

液压式外骨骼主要由外骨骼结构、液压动力机构和液压控制器组成。

液压式外骨骼的特点是力矩大、运动自由度高、对人体影响较小。

但液压式外骨骼的缺点是制造成本较高、液压泄漏等问题。

气压式外骨骼气压式外骨骼是一种由气动机构构成的外骨骼，通过气压传动来实现外骨骼的动力增强。

气压式外骨骼主要由外骨骼结构、气压动力机构和气压控制器组成。

气压式外骨骼的优点是运动自由度高、对人体影响小、动力输出快速精准。

但气压式外骨骼的缺点是普及程度较低、气压控制系统复杂、对气压动力的稳定性要求高。

神经控制式外骨骼神经控制式外骨骼是一种由神经学和计算机技术组成的外骨骼，通过神经控制来直接实现对外骨骼运动的控制。

神经控制式外骨骼主要由外骨骼结构、神经控制装置和计算机控制器组成。

神经控制式外骨骼的优点是操作方便、控制精准、运动自由度高、可根据体感反馈进行调整。

神经控制式外骨骼的缺点是技术成熟度较低、对神经控制的装置和计算机处理速度有一定的要求。

来说，以上几种外骨骼机器人技术各有优缺点，在不同领域中选择合适的外骨骼机器人技术可以提高生产效率，促进人类运动康复，将军事作战力量提升到新的高度，增加娱乐性等。

柔性外骨骼助力机器人发展现状综述

近些年来ꎬ外骨骼助力机器人在军事、民用、医疗康复等领域得到大量的开发和应用ꎬ为人们的生活提供便利. 外骨骼助力机器人是指能对人体进行辅助或者主动助力来满足人体运动需求的机器人ꎬ 能够穿戴在人体身体外部ꎬ通过机载计算机系统对由传感系统感知到的人体运动信息进行运算推理ꎬ 进而控制外骨骼驱动人体各关节运动的人机一体化设备[１－２] . 目前ꎬ国内外学者针对不同领域、不同功能需求进行了不同类型的外骨骼机器人研究ꎬ然而这些外骨骼机器人多采用刚性体结构ꎬ 通过小腿、大腿及腰部的绑带与穿戴者下肢关联ꎬ对穿戴者进行助力. 这些外骨骼机器人对穿戴者存在助力效果ꎬ但仍有关键技术未解决:１) 由于机械腿多为刚性结构ꎬ液压、电机驱动使得外骨骼机器人存在一定重量ꎬ增加代谢消耗ꎻ２) 刚性框架机构不容易实现与人腿自然对准ꎬ 限制人体运动的自由度ꎻ ３) 易产生额外的转矩ꎬ对人体造成伤害ꎻ４) 刚性结构不易穿戴ꎬ且穿戴舒适性较差[３－４] . 尽管很多学者尝试了多种控制方法试图改善这些状况ꎬ但至今尚未获得满意效果.
投稿网址:ｈｔｔｐ: / / ｘｂ. ｎｊｉｔ. ｅｄｕ. ｃｎ
柔性外骨骼助力机器人发展现状综述
周伟杰ꎬ 韩亚丽ꎬ 朱松青ꎬ 周一鸣ꎬ 吴振宇
( 南京工程学院机械刚性外骨骼机器人不同的是柔性外骨骼助力机器人具有轻量化、低惯性、人机贴合性好、柔顺安全等优点. 综述当今国内外柔性外骨骼机器人的发展现状ꎬ重点分析人机柔性匹配性技术、驱动系统、传感器感知系统、智能控制系统等关键技术ꎬ并对其应用前景、研究方向和重点进行展望. 关键词:柔性外骨骼ꎻ智能化ꎻ关键技术ꎻ助力机器人中图分类号:ＴＰ２４２
１. １国外的研究现状
２０１３年５月ꎬ哈佛大学的ＣｏｎｏｒＷａｌｓｈ等人设计出了如图１( ａ) 所示第一代柔性助力服ＳｏｆｔＥｘｏ￣ｓｕｉｔꎬ其概念图如图１( ｂ) 所示. 该装置重量仅为１０. ６ｋｇꎬ 且机械阻抗和惯性较低ꎬ 外套采用定制的ＭｃＫｉｂｂｅｎ型气动肌肉驱动ꎬ并采用锚点的方法来设计外套原型ꎬ通过将气动肌肉连接到锚点上实现致动器在踝、膝和髋关节上产生关节扭矩[１５] . 由于上述方案并没有取得良好的成效ꎬ２０１４年１２月ꎬ ＣｏｎｏｒＷａｌｓｈ教授团队本着建立一种轻巧的便携式软性可穿戴式机器人的原则研制了更强、更智能、更柔软的多关节柔性外骨骼机器人ꎬ 实物图如图２(ａ)所示ꎬ概念图如图２ ( ｂ) 所示. 与上一代产品相比ꎬ柔性外套结构设计更加简单ꎬ利用弹性纺织品作为绑缚带ꎬ重量仅为１２. １５ｋｇꎬ外套采用电机＋套索的传动方式ꎬ特别的是ꎬ当套索没有被驱动的时候ꎬ外骨骼机器人也能通过弹性纺织带对行走的穿戴者产生辅助力矩[１６] . ２０１５年９月ꎬＣｏｎｏｒＷａｌｓｈ教授团队为了最大限度地提高柔性外套的舒适度和力量传递ꎬ改用相对不可伸展的安全带ꎬ 使纺织外套具有高刚度、低滞后性ꎬ能够较好地传递力ꎬ并且改进套索传动装置ꎬ使得套索能够更好地传递张力[１７] . ＣｏｎｏｒＷａｌｓｈ教授团队还提出了一款综合多关节柔性外套和单关节柔性外套的套装ꎬ 实物图如图３( ａ) 所示ꎬ概念图如图３( ｂ) 所示. 采