外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù).ppt
《外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù).ppt》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù).ppt(24頁珍藏版)》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、外骨骼康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù),1,2,主 要 內(nèi) 容,3,,定義,外骨骼機(jī)器人:是一種結(jié)合了人的智能、機(jī)械動(dòng)力裝置和機(jī)械能量的人機(jī)結(jié)合的可穿戴設(shè)備。按結(jié)構(gòu)可將外骨骼機(jī)器人分為上肢、下肢、全身及各類關(guān)節(jié)機(jī)器人。,應(yīng)用,一、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀,4,日本Tmsuk公司開發(fā)的T52 Enryu,重量近5噸,身高達(dá)3米,可用于任何災(zāi)害的救援工作中,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(jī)械臂則可以完成所有類型的工作。,Stelarc外骨骼是一款肌肉機(jī)器人,外形與蜘蛛人類似,長有6條腿,直徑達(dá)到5米。它是一種混合人機(jī),充氣和放氣之后便可膨脹和收縮,與其他外骨骼相比具有更高的靈活
2、性。使用時(shí),操作人員需站在中間,控制機(jī)器朝著面部方向移動(dòng)。Stelarc外骨骼由流體肌肉傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng),裝有大量傳感器。,一、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀,5,被謀殺的教授步行輔助設(shè)備,由美國弗吉尼亞理工大學(xué)的凱文格拉納塔教授研制的下肢外骨骼機(jī)器人,能夠幫助少肌癥患者恢復(fù)身體機(jī)能,少肌癥可導(dǎo)致人體的骨骼肌流失,他研制的步行輔助外骨骼卻仍在幫助著很多患者。,由美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)設(shè)計(jì)的伯克利布里克外骨骼機(jī)器人(BLEEX),可以幫助士兵,營救人員以及其他應(yīng)急人員輕松攜帶各種設(shè)備。,一、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀,6,日本科技公司“賽百達(dá)因”研制的HAL-5是一款半機(jī)器人,它裝有主動(dòng)控制系統(tǒng),
3、肌肉通過運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元獲取來自大腦的神經(jīng)信號(hào),進(jìn)而移動(dòng)肌與骨骼系統(tǒng)。HAL(混合輔助肢體)可以探測到皮膚表面非常微弱的信號(hào)。動(dòng)力裝置根據(jù)接收的信號(hào)控制肌肉運(yùn)動(dòng)。,機(jī)甲外骨骼機(jī)器人,高約5.48m,由美國阿拉斯加州工程師洛斯歐文斯發(fā)明,由內(nèi)部的駕駛員操控行走。,腦控外骨骼系統(tǒng):由美國密歇根州大學(xué)神經(jīng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)骨骼、肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)之間的交互作用,所有骨骼和肌肉均有大腦直接控制。,一、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀,7,松下充氣式外骨骼,用于幫助偏癱患者,肘部和腕部裝有傳感器,允許手臂控制8塊人造肌肉,人造肌肉內(nèi)裝有壓縮空氣,用于擠壓癱瘓的部位。,,引力平衡腿部矯形器在設(shè)計(jì)上用于幫助佩戴者在不受引力
4、影響下走路。由于消除了引力影響,這也就意味著輕偏癱患者在這種矯形器幫助下可以很容易行走。借助于這種設(shè)備,輕偏癱患者可以重獲力量和控制能力??梢赃M(jìn)行調(diào)節(jié),能夠在腿部移動(dòng)和引力之間實(shí)現(xiàn)一種平衡。,一、外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀,8,,機(jī)械結(jié)構(gòu)要全面的分析人體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該考慮: (1)盡量遵循擬人原則,外骨骼各肢體關(guān)節(jié)等機(jī)械形狀和尺寸參照人體(GB1000-88); (2)外骨骼各關(guān)節(jié)如:膝、髖、踝關(guān)節(jié),自由度要考慮到人體相應(yīng)關(guān)節(jié),確保其運(yùn)動(dòng)形式與人的運(yùn)動(dòng)形式相同,且各關(guān)節(jié)要有一定的運(yùn)動(dòng)范圍,使其既不限制人體運(yùn)動(dòng)又確保動(dòng)作的安全;(GB24436-2009) (3)能在不同的
5、環(huán)境使用,如:樓梯,草地等。,體積小,質(zhì)量輕,并且能夠提供足夠大的力矩或扭矩,同時(shí)要具有良好的散熱性能。 目前常用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要有:液壓驅(qū)動(dòng),氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。,目前外骨骼機(jī)器人主要以蓄電池供電,移動(dòng)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使用效率是關(guān)鍵問題。 未來可以尋求新能源技術(shù),包括:太陽能,生物能,解決能源發(fā)展的技術(shù)瓶頸。,外骨骼機(jī)器人的控制模型可以分為:感知層,控制層,決策層。 控制系統(tǒng)需要確保外骨骼能快速準(zhǔn)確的響應(yīng)人體的各種動(dòng)作,還要考慮外骨骼與不同操作者之間的默契,即需要有一定的學(xué)習(xí)能力,以適應(yīng)不同操作者的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。,二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵
6、技術(shù),9,定義:以液體為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控制的傳動(dòng)方式。 優(yōu)點(diǎn):慣性小,結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,工作穩(wěn)定; 缺點(diǎn):受壓液體容易泄露,工作噪聲較大,能源使用效率低,傳動(dòng)速度低; 代表:美國伯克利分校研制的主力機(jī)械服BLEEX系列,定義:利用電力設(shè)備并調(diào)節(jié)電參數(shù)來傳遞動(dòng)力和進(jìn)行控制的傳動(dòng)方式。 優(yōu)點(diǎn):技術(shù)成熟,結(jié)構(gòu)簡單,無污染,信號(hào)傳遞迅速且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化; 缺點(diǎn):動(dòng)態(tài)平衡特性差,質(zhì)量大,慣性大,換向慢; 代表:日本駐波大學(xué)的外骨骼機(jī)器人HAL系列。,定義:以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控制的傳動(dòng)方式。 優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,無污染,阻力損失小,成本低等; 缺點(diǎn):氣動(dòng)裝置傳動(dòng)速度的穩(wěn)定性較差,信號(hào)
7、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(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),液 壓 驅(qū) 動(dòng),10,定義:一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移轉(zhuǎn)換為脈沖或者數(shù)字量的傳感器 結(jié)構(gòu):由光柵盤和光電檢測裝置組成,定義:將力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出的電子元件 結(jié)構(gòu):由力敏元件、轉(zhuǎn)換元件和電路組成 分類:彈性敏感元件 應(yīng)變式力傳感器 壓阻式力傳感器 壓電式力傳感器,sEMG:表面肌電信號(hào),是指:神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進(jìn)行隨意性或非隨意性活動(dòng)時(shí)的生物電變化,經(jīng)皮膚表面電極引導(dǎo)、放大、顯示并記錄下神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào) 特點(diǎn):信號(hào)形態(tài)具有較大的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性; 優(yōu)點(diǎn):無創(chuàng)性、實(shí)時(shí)性
8、、多靶點(diǎn)測量,肌電信號(hào)可分為:針電極肌電信號(hào) (NEMG)和表面肌電信號(hào)(sEMG)。 NEMG以針電極為引導(dǎo)電極,將其插入肌肉內(nèi)部對動(dòng)作電位進(jìn)行直接測量; sEMG以表面電極為引導(dǎo)電極,將其安置在皮膚表面拾取肌肉活動(dòng)的電位,,二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),11,表面肌電信號(hào)因不同的個(gè)體、肌肉而存在差異,但仍具有以下幾點(diǎn)共性:,sEMG信號(hào)是一種交流電壓信號(hào),其幅值與肌力大致成正比關(guān)系,肌肉松弛、緊張度與sEMG電壓幅度之間存在著近似線性關(guān)系。,sEMG信號(hào)是一種微弱的電信號(hào),正常肌肉運(yùn)動(dòng)單元電位幅值一般為100V-2mV,最高不超過5mV,經(jīng)疊加后的肌電信號(hào)幅值范圍為:2V-5mV。,sEMG
9、信號(hào)是一種低頻信號(hào),能量主要集中在10-1000Hz,300Hz以上顯著減弱,其中絕大部分頻譜集中在50-150Hz之間。,sEMG信號(hào)是一種非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào),其統(tǒng)計(jì)學(xué)特性隨時(shí)間的變化而變化,信號(hào)由強(qiáng)度和傳播方向不同,在分屬不同運(yùn)動(dòng)單元的肌纖維上傳播的多個(gè)MUAP在信號(hào)拾取區(qū)域疊加而成的,這使得測量具有一定的隨機(jī)性。,sEMG信號(hào),正是由于相同肌群sEMG信號(hào)規(guī)律性和不同肌群sEMG信號(hào)差異性的存在(人體完成不同動(dòng)作,肌電信號(hào)有所差別,不同個(gè)體執(zhí)行相同動(dòng)作,肌電信號(hào)相似),才使得利用sEMG傳感器作為人機(jī)接口來控制外骨骼機(jī)器人成為可能。,1、sEMG傳感器,二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),12,壓阻
10、效應(yīng):半導(dǎo)體材料在某一方向上受到壓力作用時(shí),他的電阻率會(huì)發(fā)生顯著變化。其靈敏度比金屬應(yīng)變片高50-100倍。優(yōu)點(diǎn):1.分辨率高,尺寸小 2.橫向效應(yīng)小,滯后和蠕變小 3.響應(yīng)頻率高,適合動(dòng)態(tài)測量,由彈性元件、電阻應(yīng)變片組成用來測量力的應(yīng)變式傳感器。優(yōu)點(diǎn): 1.精度高,測量范圍廣; 2.使用壽命長,性能穩(wěn)定可靠,輸出特性的線性度好;3.結(jié)構(gòu)簡單,尺寸小,重量輕; 4.響應(yīng)頻率高,適合測量動(dòng)態(tài)過程,壓電效應(yīng):某些物質(zhì)受到外力作用,幾何尺寸發(fā)生變化,物體表面產(chǎn)生電荷形成電場,當(dāng)外力消失時(shí),材料重新恢復(fù)原狀的現(xiàn)象。,利用彈性變形進(jìn)行測量及變換的元件,輸入量為力(力矩)或者壓力,輸出應(yīng)變或者位移,再由傳
11、感器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。如:彈簧、波紋管,壓阻式力傳感器,壓磁效應(yīng):一些鐵磁材料在受到外力作用后,其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,引起鐵磁材料磁導(dǎo)率變化的現(xiàn)象。 特點(diǎn):輸出信號(hào)大,抗干擾性好,過載能力強(qiáng),2、力傳感器,二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),13,根據(jù)光電編碼器的刻度方法及信號(hào)輸出形式,可將其分為:增量式,絕對式和混合式三種類型。,增量式:輸出3路方波脈沖,A、B、Z相,A,B兩組脈沖相位差90,用于判斷方向,Z相位為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖,用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。 優(yōu)點(diǎn):原理構(gòu)造簡單,機(jī)械壽命長,抗干擾能 力強(qiáng),可靠性高,適合長距離傳輸 缺點(diǎn):無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對位置信息,絕對式:利用二進(jìn)制方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,直接輸出數(shù)字量
12、,圓形碼盤上有透光、不透光的的扇形區(qū)間組成,根據(jù)讀出的編碼,檢測絕對位置。 優(yōu)點(diǎn):可直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值,沒有累積誤差,電源切除后,位置信息不會(huì)丟失 缺點(diǎn):分辨率由二進(jìn)制的位數(shù)來決定,N位二進(jìn)制分辨率的編碼器,其碼盤必有N條碼道。,3、光電編碼器,二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),14,人體,外骨骼機(jī)器人,,二、外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),15,Armeo Power,Armeo Spring,Armeo Boom,理論基礎(chǔ):研究表明:許多中風(fēng)、腦外傷及其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病或骨骼損傷患者,其腦部仍具有殘余的神經(jīng)肌肉支配能力,并可以通過密集的、重復(fù)的帶有任務(wù)的動(dòng)作使其進(jìn)行重新構(gòu)造。,四、可穿戴式康復(fù)外骨骼
13、機(jī)器人,16,,四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人,,,上肢5自由度為:(1)肩關(guān)節(jié)側(cè)展自由度;(2)肩關(guān)節(jié)屈伸自由度;肘關(guān)節(jié)屈伸自由度;前臂旋轉(zhuǎn)自由度; 手腕屈伸自由度。下肢外骨骼的 4 個(gè)自由度為: 髖關(guān)節(jié)側(cè)展自由度;髖關(guān)節(jié)屈伸自由度; 膝關(guān)節(jié)屈伸自由度;踝關(guān)節(jié)屈伸自由度。,四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人,四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人,四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人,由于不可能對不同的患者一一進(jìn)行精確的建模,我們采用了類似于人機(jī)學(xué)習(xí)觀察器的 自適應(yīng)控制方法來讓機(jī)器學(xué)習(xí)出系統(tǒng)應(yīng)有的動(dòng)力學(xué)模型前饋。這種控制方法使得我們 能夠讓機(jī)器人克服運(yùn)動(dòng)過程中的阻尼來引導(dǎo)患者完成所需要的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作,并且根據(jù)患 者完成情
14、況逐漸減少出力,最終直到外骨骼完全不用出力、完全通過患者自身的肌肉 發(fā)力來完成所期望的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。同時(shí),這種算法也可以同時(shí)識(shí)別出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型, 在運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行前饋補(bǔ)償。,四、可穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)器人,圖6上圖為運(yùn)動(dòng)的期望軌跡 qr、實(shí)際軌跡 q 和誤差 e。下圖為運(yùn)動(dòng)過程中肘關(guān)節(jié)電機(jī)的電流。由圖 6 可看出,隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行,肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)誤差越來越小,表示算法逐漸學(xué)習(xí)出了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型,同時(shí)電流維持平穩(wěn),沒有發(fā)散。 圖7 為一組腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖,因?yàn)殛P(guān)節(jié)本身受力較小,所以初始誤差較肘關(guān)節(jié)更小。算法同樣逐漸學(xué)習(xí)出了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型,電流維持平穩(wěn),沒有發(fā)散。,五、外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趨勢,現(xiàn)有的
15、下肢外骨骼機(jī)器人還存在以下幾方面的問題:,21,,,,體積較大,動(dòng)作笨拙 環(huán)境的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)的靈活性較差,與操作者的預(yù)期動(dòng)作不吻合 不能靈活適應(yīng)不同的操作者,,,移動(dòng)范圍和工作時(shí)間受限 尋求新能源技術(shù),,,自適應(yīng)能力較弱 自學(xué)習(xí)能力不夠,質(zhì)量問題 柔性安全 噪音問題 舒適度問題,1、下肢 外骨骼機(jī)器人應(yīng)具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力,人類的行走存在著“個(gè)性化”差別,而且根據(jù)路況,使用的行走動(dòng)作也是隨機(jī)的,很難使用一個(gè)固定的模式來描述行走過程,所以很難得到一個(gè)固定的輸出設(shè)定,而這個(gè)行走動(dòng)作預(yù)設(shè)參數(shù)的設(shè)定卻至關(guān)重要,必須使用這項(xiàng)參數(shù)來控制各種情況下的動(dòng)作。故下肢外骨骼機(jī)器人未來發(fā)展最重要的一個(gè)方向就是具有學(xué)習(xí)
16、的能力,也即是:針對它的每一個(gè)使用者,“學(xué)習(xí)出”一套最適應(yīng)使用者行走習(xí)慣的運(yùn)動(dòng)模式。,2、下肢外骨骼機(jī)器人必須輕巧和工作效率高,在未來進(jìn)行下肢外骨骼機(jī)器人研制時(shí),應(yīng)選擇堅(jiān)固、輕型且有彈性的材質(zhì),并且外骨骼機(jī)器人應(yīng)具有高度的靈活性,使得使用者穿著作業(yè)時(shí)感到輕松自在 ,而不是受到約束。另外對于外骨骼機(jī)器人的動(dòng)力源,攜帶的能源必須能夠維持24小時(shí)的工作,而且必須輕且完全無聲:應(yīng)發(fā)展熱效率高和污染較低的新型能源,如燃料電池,保證外骨骼機(jī)器人能長時(shí)間作業(yè)。,五、外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趁勢,3、下肢外骨骼機(jī)器人必須安全和穩(wěn)定可靠,外骨骼機(jī)器人需要滿足安全性、有效性和舒適性的要求。安全性體現(xiàn)了安全第一的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:有效性體現(xiàn)了外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)目的;舒適性則是面向應(yīng)用的關(guān)鍵因素。 隨著能源、材料和控制技術(shù)的不斷進(jìn)步,下肢外骨骼機(jī)器人將會(huì)變得越來越人性化與智能化。,五、外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趁勢,謝 謝 !,
- 溫馨提示:
1: 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
2: 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
3.本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
5. 裝配圖網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 110中國人民警察節(jié)(筑牢忠誠警魂感受別樣警彩)
- 2025正字當(dāng)頭廉字入心爭當(dāng)公安隊(duì)伍鐵軍
- XX國企干部警示教育片觀后感筑牢信仰之基堅(jiān)守廉潔底線
- 2025做擔(dān)當(dāng)時(shí)代大任的中國青年P(guān)PT青年思想教育微黨課
- 2025新年工作部署會(huì)圍繞六個(gè)干字提要求
- XX地區(qū)中小學(xué)期末考試經(jīng)驗(yàn)總結(jié)(認(rèn)真復(fù)習(xí)輕松應(yīng)考)
- 支部書記上黨課筑牢清廉信念為高質(zhì)量發(fā)展?fàn)I造風(fēng)清氣正的環(huán)境
- 冬季消防安全知識(shí)培訓(xùn)冬季用電防火安全
- 2025加強(qiáng)政治引領(lǐng)(政治引領(lǐng)是現(xiàn)代政黨的重要功能)
- 主播直播培訓(xùn)直播技巧與方法
- 2025六廉六進(jìn)持續(xù)涵養(yǎng)良好政治生態(tài)
- 員工職業(yè)生涯規(guī)劃方案制定個(gè)人職業(yè)生涯規(guī)劃
- 2024年XX地區(qū)黨建引領(lǐng)鄉(xiāng)村振興工作總結(jié)
- XX中小學(xué)期末考試經(jīng)驗(yàn)總結(jié)(認(rèn)真復(fù)習(xí)輕松應(yīng)考)
- 幼兒園期末家長會(huì)長長的路慢慢地走