外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件

外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)1外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀定義外骨骼機器人:是種結(jié)合了人的智能、機械動力裝置和機械能量的人機結(jié)合的可穿戴設(shè)備。按結(jié)構(gòu)可將外骨骼機器人分為上肢、下肢、全身及各類關(guān)節(jié)機器人應(yīng)用外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀2外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀Stelarc外骨骼是一款肌肉機器人外形與蜘蛛人類似,長有6條腿,直徑日本Tmsuk公司開發(fā)的T52Enryu,重達到5米。它是一種混合人機,充氣和量近5噸,身高達3米,可用于任何災(zāi)害的放氣之后便可膨脹和收縮,與其他外骨救援工作中,能幫助工作人員清理路上的碎片,能夠舉起重量近1噸的重物,機械臂骼相比具有更高的靈活性。使用時,操作人員需站在中間,控制機器朝著面部則可以完成所有類型的工作。方向移動。Stelarc外骨骼由流體肌肉傳動裝置驅(qū)動,裝有大量傳感器。外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀3、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀被謀殺的教授步行輔助設(shè)備,由美由美國國防高級研究計劃局國弗吉尼亞理工大學(xué)的凱文格拉納塔教(DARPA設(shè)計的伯克利布里克外骨授研制的下肢外骨骼機器人,能夠幫助骼機器人(BLEEX),可以幫助士少肌癥患者恢復(fù)身體機能,少肌癥可導(dǎo)兵,營救人員以及其他應(yīng)急人員輕致人體的骨骼肌流失他研制的步行輔助松攜帶各種設(shè)備。外骨骼卻仍在幫助著很多患者。、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀4、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀日本科技公司“賽百達因研制的HAL-5是一款半機器人,它裝有主動控制系統(tǒng),肌肉通過運動機甲外骨骼機器人,高腦控外骨骼系統(tǒng):由美國密神經(jīng)元獲取來大腦的神經(jīng)信號,約5.48m,由美國阿拉斯加歇根州大學(xué)神經(jīng)力學(xué)實驗室設(shè)計進而移動肌與骨骼系統(tǒng)。HAL(混州工程師洛斯-歐文斯發(fā)明見骨骼、肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)合輔助肢體)可以探測到皮膚表面由內(nèi)部的駕駛員操控行走。之間的交互作用,所有骨骼和肌非常微弜的信號。動力裝置根據(jù)接肉均有大腦直接控制。收的信號控制肌肉運動、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀5外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀松下充氣式外骨骼,引力平衡腿部矯形器在設(shè)計上用于幫助佩戴者在用于幫助偏癱患者,肘部不受引力影響下走路。由于消除了引力影響,這也和腕部裝有傳感器,允許就意味著輕偏癱患者在這種矯形器幫助下可以很容手臂控制8塊人造肌肉易行走。借助于這種設(shè)備,輕偏癱患者可以重獲力人造肌肉內(nèi)裝有壓縮空氣量和控制能力?？梢赃M行調(diào)節(jié),能夠在腿部移動和用于擠壓癱瘓的部位引力之間實現(xiàn)一種平衡。外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀6外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)機械結(jié)構(gòu)要全面的分析人體外骨骼機器人的控制模型可節(jié)的運動范圍和運動特點,設(shè)計時,應(yīng)以分為:感知層,控制層,決策該考慮層(1)盡量遵循擬人原則,外骨骼各肢控制系統(tǒng)需要確保外骨骼能體關(guān)節(jié)等機械形狀和尺寸參照人體(快速準確的響應(yīng)人體的各種動作GB1000-88),還要考慮外骨骼與不同操作者(2)外骨骼各關(guān)節(jié)如:膝、髖踝關(guān)之間的默契,即需要有一定的學(xué)節(jié),自由度要考慮到人體相應(yīng)關(guān)節(jié),確習(xí)能力,以適應(yīng)不同操作者的運保其運動形式與人的運動形式相同,且動特點各關(guān)節(jié)要有一定的運動范圍,使其既不限制人體運動又確保動作的安全;(GB24436-2009)(3)能在不同的環(huán)境使用,如:樓梯目前外骨骼機器人主要以蕾電池供電,移動范圍受到蓄電池的容量和效率的限制如何提高蓄電池單位體積的容量和外骨骼的體積小,質(zhì)量輕,并且能使用效率是關(guān)鍵問題夠提供足夠大的力矩或扭矩未來可以尋求新能源技術(shù)同時要具有良好的散熱性能包括:太陽能,生物能,解決能目前常用的設(shè)備驅(qū)動主要源發(fā)展的技術(shù)瓶頸。有:液壓驅(qū)動,氣壓驅(qū)動和電外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)7二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)定義:利用電力設(shè)備并調(diào)節(jié)電參數(shù)來傳遞液壓驅(qū)動動力和進行控制的傳動方式定義:以液體為工作介質(zhì)進行能√優(yōu)點:技術(shù)成熟,結(jié)構(gòu)簡單,無污染量傳遞和控制的傳動方式,信號傳遞迅速且易于實現(xiàn)自動化√優(yōu)點:慣性小,結(jié)構(gòu)簡單,可√缺點:動態(tài)平衡特性差,質(zhì)量大,慣靠性高,工作穩(wěn)定性大,換向慢;√缺點:受壓液體容易泄露,工√代表:日本駐波大學(xué)的外骨骼機器人作噪聲較大,能源使用效率低HAL系列。傳動速度低電機驅(qū)動代表:類國伯克利分校研制的∠定義;以壓宿空氣為工作介質(zhì)進行能量傳速和控主力機械服BLEEX系列制的傳動方式優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單,無污染,阻力損失小,成氣壓驅(qū)動本低等缺點:氣動裝置傳動速度的穩(wěn)定性較差,信號傳遞的速度慢,控制性較差,不適用于大功率系統(tǒng);二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)8二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)·肌電信號可分為:針電極肌電信sEMG:表面肌電信號,是指:神號(NEMG)和表面肌電信號經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進行隨意性或非隨意(SEMG)NEMG以針電極為引導(dǎo)電極,將性活動時的生物電變化,經(jīng)皮膚表其插入肌肉內(nèi)部對動作電位進行面電極引導(dǎo)、放大、顯示并記錄下直接測量神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號sEMG以表面電極為引導(dǎo)電極sEMG傳感器·特點:信號形態(tài)具有較大的隨機性將其安置在皮膚表面拾取肌肉活和不穩(wěn)定性;動的電位優(yōu)點:無創(chuàng)性、實時性、多靶點測外骨骼機器人相關(guān)傳感器光電編碼器力傳感器定義:將力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵龅碾娮釉Y(jié)構(gòu):由力敏元件、轉(zhuǎn)換元件和定義:一種通過光電轉(zhuǎn)換將輞出軸上的電路組成分類:彈性敏感元件機械幾何位移轉(zhuǎn)換為脈沖或者數(shù)字量的應(yīng)變式力傳感器傳感器壓阻式力傳感器結(jié)構(gòu):由光柵盤和光電檢測裝置組成壓電式力傳感器二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)9二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)1、sEMG傳感器表面肌電信號因不同的個體、肌肉而存在差異,但仍具有以下幾點共性sEMG信號是一種交流電sEMG信號是一種微弱的電信壓信號,其幅值與肌力大致成號,正常肌肉運動單元電位幅值正比關(guān)系,肌肉松弛、緊張度一般為100V-2mV,最高不超與sEMG電壓幅度之間存在著過5mV,經(jīng)疊加后的肌電信號幅近似線性關(guān)系值范圍為:2pV-5mVSEMGEMG信號是一種非平穩(wěn)隨機信sEMG信號是一種低頻號,其統(tǒng)計學(xué)特性隨時間的變化而號,能量主要集中在10變化,信號由強度和傳播方向不同1000Hz,300Hz以上顯著減在分屬不同運動單元的肌纖維上弱,其中絕大部分頻譜集中在傳播的多個MUAP在信號拾取區(qū)域50-150Hz之間獸加而成的,這使得測量具有一定的隨機性正是由于相同肌群SEMG信號規(guī)律性和不同肌群sEMG信號差異性的存在(人體完成不同動作,肌電信號有所差別,不同個體執(zhí)行相同動作,肌電信號相似),才使得利用sEMG傳感器作為人機接口來控制外骨骼機器人成為可能二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)10外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件11外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件12外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件13外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件14外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件15外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件16外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件17外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件18外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件19外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件20外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件21外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件22外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件23外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)資料講解課件24外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)外骨骼康復(fù)機器人研究現(xiàn)狀及關(guān)25外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀定義外骨骼機器人:是種結(jié)合了人的智能、機械動力裝置和機械能量的人機結(jié)合的可穿戴設(shè)備。按結(jié)構(gòu)可將外骨骼機器人分為上肢、下肢、全身及各類關(guān)節(jié)機器人應(yīng)用外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀26外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀Stelarc外骨骼是一款肌肉機器人外形與蜘蛛人類似,長有6條腿,直徑日本Tmsuk公司開發(fā)的T52Enryu,重達到5米。它是一種混合人機,充氣和量近5噸,身高達3米,可用于任何災(zāi)害的放氣之后便可膨脹和收縮,與其他外骨救援工作中,能幫助工作人員清理路上的碎片,能夠舉起重量近1噸的重物,機械臂骼相比具有更高的靈活性。使用時,操作人員需站在中間,控制機器朝著面部則可以完成所有類型的工作。方向移動。Stelarc外骨骼由流體肌肉傳動裝置驅(qū)動,裝有大量傳感器。外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀27、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀被謀殺的教授步行輔助設(shè)備,由美由美國國防高級研究計劃局國弗吉尼亞理工大學(xué)的凱文格拉納塔教(DARPA設(shè)計的伯克利布里克外骨授研制的下肢外骨骼機器人,能夠幫助骼機器人(BLEEX),可以幫助士少肌癥患者恢復(fù)身體機能,少肌癥可導(dǎo)兵,營救人員以及其他應(yīng)急人員輕致人體的骨骼肌流失他研制的步行輔助松攜帶各種設(shè)備。外骨骼卻仍在幫助著很多患者。、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀28、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀日本科技公司“賽百達因研制的HAL-5是一款半機器人,它裝有主動控制系統(tǒng),肌肉通過運動機甲外骨骼機器人,高腦控外骨骼系統(tǒng):由美國密神經(jīng)元獲取來大腦的神經(jīng)信號,約5.48m,由美國阿拉斯加歇根州大學(xué)神經(jīng)力學(xué)實驗室設(shè)計進而移動肌與骨骼系統(tǒng)。HAL(混州工程師洛斯-歐文斯發(fā)明見骨骼、肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)合輔助肢體)可以探測到皮膚表面由內(nèi)部的駕駛員操控行走。之間的交互作用,所有骨骼和肌非常微弜的信號。動力裝置根據(jù)接肉均有大腦直接控制。收的信號控制肌肉運動、外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀29外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀松下充氣式外骨骼,引力平衡腿部矯形器在設(shè)計上用于幫助佩戴者在用于幫助偏癱患者,肘部不受引力影響下走路。由于消除了引力影響,這也和腕部裝有傳感器,允許就意味著輕偏癱患者在這種矯形器幫助下可以很容手臂控制8塊人造肌肉易行走。借助于這種設(shè)備,輕偏癱患者可以重獲力人造肌肉內(nèi)裝有壓縮空氣量和控制能力?？梢赃M行調(diào)節(jié),能夠在腿部移動和用于擠壓癱瘓的部位引力之間實現(xiàn)一種平衡。外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀30外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)機械結(jié)構(gòu)要全面的分析人體外骨骼機器人的控制模型可節(jié)的運動范圍和運動特點,設(shè)計時,應(yīng)以分為:感知層,控制層,決策該考慮層(1)盡量遵循擬人原則,外骨骼各肢控制系統(tǒng)需要確保外骨骼能體關(guān)節(jié)等機械形狀和尺寸參照人體(快速準確的響應(yīng)人體的各種動作GB1000-88),還要考慮外骨骼與不同操作者(2)外骨骼各關(guān)節(jié)如:膝、髖踝關(guān)之間的默契,即需要有一定的學(xué)節(jié),自由度要考慮到人體相應(yīng)關(guān)節(jié),確習(xí)能力,以適應(yīng)不同操作者的運保其運動形式與人的運動形式相同,且動特點各關(guān)節(jié)要有一定的運動范圍,使其既不限制人體運動又確保動作的安全;(GB24436-2009)(3)能在不同的環(huán)境使用,如:樓梯目前外骨骼機器人主要以蕾電池供電,移動范圍受到蓄電池的容量和效率的限制如何提高蓄電池單位體積的容量和外骨骼的體積小,質(zhì)量輕,并且能使用效率是關(guān)鍵問題夠提供足夠大的力矩或扭矩未來可以尋求新能源技術(shù)同時要具有良好的散熱性能包括:太陽能,生物能,解決能目前常用的設(shè)備驅(qū)動主要源發(fā)展的技術(shù)瓶頸。有:液壓驅(qū)動,氣壓驅(qū)動和電外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)31二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)定義:利用電力設(shè)備并調(diào)節(jié)電參數(shù)來傳遞液壓驅(qū)動動力和進行控制的傳動方式定義:以液體為工作介質(zhì)進行能√優(yōu)點:技術(shù)成熟,結(jié)構(gòu)簡單,無污染量傳遞和控制的傳動方式,信號傳遞迅速且易于實現(xiàn)自動化√優(yōu)點:慣性小,結(jié)構(gòu)簡單,可√缺點:動態(tài)平衡特性差,質(zhì)量大,慣靠性高,工作穩(wěn)定性大,換向慢;√缺點:受壓液體容易泄露,工√代表:日本駐波大學(xué)的外骨骼機器人作噪聲較大,能源使用效率低HAL系列。傳動速度低電機驅(qū)動代表:類國伯克利分校研制的∠定義;以壓宿空氣為工作介質(zhì)進行能量傳速和控主力機械服BLEEX系列制的傳動方式優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單,無污染,阻力損失小,成氣壓驅(qū)動本低等缺點:氣動裝置傳動速度的穩(wěn)定性較差,信號傳遞的速度慢,控制性較差,不適用于大功率系統(tǒng);二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)32二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)·肌電信號可分為:針電極肌電信sEMG:表面肌電信號,是指:神號(NEMG)和表面肌電信號經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進行隨意性或非隨意(SEMG)NEMG以針電極為引導(dǎo)電極,將性活動時的生物電變化,經(jīng)皮膚表其插入肌肉內(nèi)部對動作電位進行面電極引導(dǎo)、放大、顯示并記錄下直接測量神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號sEMG以表面電極為引導(dǎo)電極sEMG傳感器·特點:信號形態(tài)具有較大的隨機性將其安置在皮膚表面拾取肌肉活和不穩(wěn)定性;動的電位優(yōu)點:無創(chuàng)性、實時性、多靶點測外骨骼機器人相關(guān)傳感器光電編碼器力傳感器定義:將力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵龅碾娮釉Y(jié)構(gòu):由力敏元件、轉(zhuǎn)換元件和定義:一種通過光電轉(zhuǎn)換將輞出軸上的電路組成分類:彈性敏感元件機械幾何位移轉(zhuǎn)換為脈沖或者數(shù)字量的應(yīng)變式力傳感器傳感器壓阻式力傳感器結(jié)構(gòu):由光柵盤和光電檢測裝置組成壓電式力傳感器二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)33二、外骨骼機器人的關(guān)鍵技術(shù)1、sEMG傳感器表面肌電信號因不同的個體、肌肉而存在差異,但仍具有以下幾點共性sEMG信號是一種交流電sEMG信號是一種微弱的電信壓信號,其幅值與肌力大致成號,正常肌肉運動單元電位幅值正比關(guān)系,肌肉松弛、緊張度一般為100V-2mV,最高不超與sEMG電壓幅度之間存在著過5mV,經(jīng)疊加后的肌電信號幅近似線性關(guān)系值范圍為:2pV-5mVSEMGEMG信號是一種非平穩(wěn)隨機