外骨骼机器人课件

外骨骼康复机器人研究现状及关键技术部门:机器人研究室2022/11/81Armeo上肢外骨骼机器人4外骨骼机器人的研究现状31相关传感器332外骨骼机器人的关键技术主要内容2022/11/82关键技术外骨骼机器人的研究现状1相关传感器Armeo机器人定义

外骨骼机器人：是一种结合了人的智能、机械动力装置和机械能量的人机结合的可穿戴设备。按结构可将外骨骼机器人分为上肢、下肢、全身及各类关节机器人。应用2022/11/83关键技术外骨骼机器人的研究现状1相关传感器Armeo机器人

被谋杀的教授步行辅助设备，由美国弗吉尼亚理工大学的凯文·格拉纳塔教授研制的下肢外骨骼机器人，能够帮助少肌症患者恢复身体机能，少肌症可导致人体的骨骼肌流失。

由美国国防高级研究计划局(DARPA)设计的伯克利·布里克外骨骼机器人（BLEEX），可以帮助士兵，营救人员以及其他应急人员轻松携带各种设备。2022/11/85关键技术外骨骼机器人的研究现状1相关传感器Armeo机器人

日本赛事达因研制的HAL-5，高1.6m，23kg，一次工作时间为2.5h，HAL可以探测到皮肤表面非常微弱的信号，动力装置根据接收到的装置控制肌肉运动。

机甲外骨骼机器人，高约5.48m，由美国阿拉斯加州工程师洛斯·欧文斯发明，由内部的驾驶员操控行走。

脑控外骨骼系统：由美国密歇根州大学神经力学实验室设计，可实现骨骼、肌肉与神经系统之间的交互作用，所有骨骼和肌肉均有大脑直接控制。2022/11/86关键技术外骨骼机器人的研究现状1相关传感器Armeo机器人

松下充气式外骨骼，用于帮助偏瘫患者，肘部和腕部装有传感器，允许手臂控制8块人造肌肉，人造肌肉内装有压缩空气，用于挤压瘫痪的部位。

Springwalker外骨骼：能够像动物一样奔跑，跳跃。借助其奔跑速度可达56km/h，跳跃高度可达约1.52m。

引力平衡腿部矫形器：由美国特拉华州大学研制，帮助佩戴者在不受引力的影响下走路，借助这种设备，轻偏瘫患者可以重获力量和控制能力，并可通过调节，实现腿部移动和引力之间的平衡。2022/11/87研究现状外骨骼机器人的关键技术2相关传感器Armeo机器人

机械结构要全面的分析人体各关节的运动范围和运动特点，设计时，应该考虑：（1）尽量遵循拟人原则，外骨骼各肢体关节等机械形状和尺寸参照人体（GB1000-88）；（2）外骨骼各关节如：膝、髋、踝关节，自由度要考虑到人体相应关节，确保其运动形式与人的运动形式相同，且各关节要有一定的运动范围，使其既不限制人体运动又确保动作的安全；（GB24436-2009）（3）能在不同的环境使用，如：楼梯，草地等。

体积小，质量轻，并且能够提供足够大的力矩或扭矩，同时要具有良好的散热性能。目前常用的设备驱动主要有：液压驱动，气压驱动和电机驱动。

目前外骨骼机器人主要以蓄电池供电，移动范围受到蓄电池的容量和效率的限制,如何提高蓄电池单位体积的容量和外骨骼的使用效率是关键问题。

未来可以寻求新能源技术，包括：太阳能，生物能，解决能源发展的技术瓶颈。外骨骼机器人的控制模型可以分为：感知层，控制层，决策层。

控制系统需要确保外骨骼能快速准确的响应人体的各种动作，还要考虑外骨骼与不同操作者之间的默契，即需要有一定的学习能力，以适应不同操作者的运动特点。2022/11/88人体外骨骼机器人研究现状外骨骼机器人的关键技术2相关传感器Aremo机器人控制系统2存在的问题

驱动系统外骨骼机器人的关键技术2022/11/810存在的问题2控制系统

驱动系统外骨骼机器人的关键技术体积较大，动作笨拙环境的适应性和运动的灵活性较差与操作者的预期动作不吻合不能灵活适应不同的操作者移动范围和工作时间受限寻求新能源技术自适应能力较弱自学习能力不够质量问题柔性安全噪音问题

舒适度问题2022/11/812外骨骼机器人相关传感器sEMG传感器3力传感器

光电编码器表面肌电信号因不同的个体、肌肉而存在差异，但仍具有以下几点共性：sEMG信号是一种交流电压信号，其幅值与肌力大致成正比关系，肌肉松弛、紧张度与sEMG电压幅度之间存在着近似线性关系。

sEMG信号是一种微弱的电信号，正常肌肉运动单元电位幅值一般为100μV-2mV，最高不超过5mV，经叠加后的肌电信号幅值范围为：2μV-5mV。sEMG信号是一种低频信号，能量主要集中在10-1000Hz，300Hz以上显著减弱，其中绝大部分频谱集中在50-150Hz之间。sEMG信号是一种非平稳随机信号，其统计学特性随时间的变化而变化，信号由强度和传播方向不同，在分属不同运动单元的肌纤维上传播的多个MUAP在信号拾取区域叠加而成的，这使得测量具有一定的随机性。sEMG信号正是由于相同肌群sEMG信号规律性和不同肌群sEMG信号差异性的存在（人体完成不同动作，肌电信号有所差别，不同个体执行相同动作，肌电信号相似），才使得利用sEMG传感器作为人机接口来控制外骨骼机器人成为可能。2022/11/814压电式力传感器弹性敏感元件应变式力传感器压磁式力传感器力传感器压阻效应：半导体材料在某一方向上受到压力作用时，他的电阻率会发生显著变化。其灵敏度比金属应变片高50-100倍。优点：1.分辨率高，尺寸小2.横向效应小，滞后和蠕变小3.响应频率高，适合动态测量缺点：压阻式对温度变化比较敏感，使用时必须有温度补偿。由弹性元件、电阻应变片组成用来测量力的应变式传感器。优点：1.精度高，测量范围广；2.使用寿命长，性能稳定可靠，输出特性的线性度好；3.结构简单，尺寸小，重量轻；4.响应频率高，适合测量动态过程；5.环境适应能力强，可在高温、高压、振动、核辐射及化学腐蚀很严重的恶劣条件下工作。压电效应：某些物质受到外力作用，几何尺寸发生变化，物体表面产生电荷形成电场，当外力消失时，材料重新恢复原状的现象。优点：体积小，重量轻，结构简单；适合动态测量缺点：不适合测量低频，更不适合测量静态量。利用弹性变形进行测量及变换的元件，输入量为力（力矩）或者压力，输出应变或者位移，再由传感器将其转换为电信号输出。如：弹簧、波纹管、膜盒、压阻式力传感器外骨骼机器人相关传感器力传感器3sEMG传感器

光电编码器压磁效应：一些铁磁材料在受到外力作用后，其内部产生应力，引起铁磁材料磁导率变化的现象。特点：输出信号大，抗干扰性好，过载能力强，结构简单，经济适用，可在恶劣环境下工作2022/11/815外骨骼机器人相关传感器光电编码器3sEMG传感器

力传感器

根据光电编码器的刻度方法及信号输出形式，可将其分为：增量式，绝对式和混合式三种类型。增量式：输出3路方波脉冲，A、B、Z相，A,B两组脉冲相位差90°，用于判断方向，Z相位为每转一个脉冲，用于基准点定位。优点：原理构造简单，机械寿命长，抗干扰能力强，可靠性高，适合长距离传输缺点：无法输出轴转动的绝对位置信息绝对式：利用二进制方式进行转换，直接输出数字量，圆形码盘上有透光、不透光的的扇形区间组成，根据读出的编码，检测绝对位置。优点：可直接读出角度坐标的绝对值，没有累积误差，电源切除后，位置信息不会丢失缺点：分辨率由二进制的位数来决定，N位二进制分辨率的编码器，其码盘必有N条码道。2022/11/816研究现状Armeo上肢外骨骼机器人4关键技术相关传感器ArmeoPowerArmeoSpringArmeoBoom

理论基础：研究表明：许多中风、脑外伤及其他神经系统疾病或骨骼损伤患者，其脑部仍具有残余的神经肌肉支配能力，并可以通过密集的、重复的带有任务的动作使其进行重新构造。2022/11/817外骨骼机器人相关传感器光电编码器3sEMG传感器

力传感器研究现状Armeo上肢外骨骼机器人4关键技术相关传感器2022/11/818外骨骼机器人相关传感器光电编码器3sEMG传感器

力传感器研究现状Armeo上肢外骨骼机器人4关键技术相关传感器2022/11/820研究现状Armeo上肢外骨骼机器人4关键技术相关传感器ArmeoPower治疗效率的提高减少所需医护人员的数量，优化病人护理工作。早期的康复治疗大量的重复运动，是重获运动技能最重要的一点大范围的三维运动空间6自由度的多关节训练系统，让病人在恢复过程中能做对其非常重要的恢复训练。强大的成绩反馈功能患者运动过程中可借助各种激励游戏的实时反馈，帮助他们提高运动神经的能力。给予需要的支持识别患者无法完成某种运动后，给予其需要的支持，保证患者进行恢复训练的积极性。2022/11/821研究现状Armeo上肢外骨骼机器人4关键技术相关传感器ArmeoBoom后期的康复治疗主要应用在门诊或家庭中设备重量轻，紧凑，易运输，使用快速简单提供可调节的手臂重量的支持电子升降杆可被调节至合适的高度提供大范围的三维运动空间ArmeoSoftware强大的绩效反馈：面向目标的赛局制游戏环境挑战性、多样化的游戏使得患者长期保持主动性涵盖了所有患者从严重到恢复过程中的治疗数据恢复练习可以轻松满足每个病人的需要快速、友好的工作流程：Armeo系列产品均使用相同的软件流程，节省对工作人员和患者的培训时间直观、易操作的工作流程可以为患者获取最多有效的治疗时间评估、报告工具：多方面的综合评估移动性：测量病人在3D空间中的移动范围空间度：在每个自由度上测量病人主动和被动的移动范围目标位置：测量运动的精度力：在一个静态的位置产生相同的力量2022/11/823外骨骼机器人相关传感器光电编码器3sEMG传感器

力传感器研究现状Armeo上肢外骨骼机器人4关键技术相关传感器相关专利Patents专利名称Deviceandprocessforadjustingtheheightofthereliefforceonaweight高度可调节，带有重力补偿功能的仪器Methodto

controlarobotdeviceandrobotdevice控制机器人设备的方法Deviceforadjustingtheprestressofanelasticmeansaroundapredeterminedtensionorposition根据设定的拉力或位置调节弹性装置应力的设备Apparatusforlocomotiontherapy运动治疗仪Methodforcontrollingacurrent-regulatedmotor控制整流电机的方法Training