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1、外骨骼機器人技術,第三組 課件制作：陳強 資料提供：李治友、田鵬琪、陳小勇、張紅英、 徐義都、郭章飛、趙云江、庹順德 視頻提供：鄧進浪、馮志欽,從生物學的角度上來講，一般是把蝦、蟹、昆蟲等 節(jié)肢動物體表堅韌的幾丁質(zhì)的骨骼稱為 外骨骼 ， 它有保護和支持作用。有時也指軟體動物的貝殼和 棘皮動物石灰質(zhì)的板和棘。 節(jié)肢動物的體表覆蓋 著堅硬的體壁。體壁由三部分組成：表皮細胞層， 基膜和角質(zhì)層。表皮細胞層由一層活細胞組成，它 向內(nèi)分泌形成一層薄膜，叫做基膜，向外分泌形成 厚的角質(zhì)層。角質(zhì)層除了能防止體內(nèi)水分蒸發(fā)和保 護內(nèi)部構(gòu)造外，還能與內(nèi)壁所附著的肌肉共同完成 各種運動，跟脊椎動物體內(nèi)的骨骼
2、有相似的作用， 因此被叫做外骨骼。,鋼鐵俠中的可穿戴裝甲,電影阿凡達中的機甲戰(zhàn)士,未來警察中的人形裝甲,電影特種部隊之眼鏡蛇的崛起中的加速裝甲,,外骨骼機器人 概念：外骨骼本指昆蟲或甲殼類動物身體外表的骨骼，具有支撐和保護作用，而軍工企業(yè)卻因此受到啟發(fā)，根據(jù)仿生學原理，利用特殊材料制成機械化裝置套在士兵身體上，以增強士兵的負重、機動和打擊能力。 一旦佩戴外骨骼機器人，將成為一名“超級”士兵，力量將放大10幾倍，可攜載更多的武器裝備，武器威力增強，防護水平提高，同時可克服任何障礙，高速前進，不會讓士兵產(chǎn)生疲勞感。,外骨骼機器人的設計要求：,1、可穿戴性：外骨骼要具有良好的可穿戴性。不需要經(jīng) 過專
3、業(yè)訓練即可非常容易、順利而快速地穿脫。 2、可調(diào)節(jié)性：外骨骼應能適應各種身材的士兵穿著，其 長度及寬度方向都應能調(diào)節(jié)以適應高、矮、胖、瘦不同的 士兵。 3、相互干擾?。罕M量減小對人體數(shù)據(jù)的測量，減小人 與外骨骼的直接接觸面，減小之間的相互干擾，從而減小 對人體各方面的限制。 4、輕巧：要求外骨骼盡量輕巧、舒適，減小總體質(zhì)量， 節(jié)省能源。,5、魯棒性：包括以下幾個方面：外骨骼材料要堅固 使其能足以負擔重物。各執(zhí)行機構(gòu)與控制算法要有好的 性能，確保外骨骼各項功能準確、可靠、及時地實現(xiàn)。 機構(gòu)強度要足以應付士兵的任何戰(zhàn)術動作帶來的沖擊載 荷。 6、柔順、舒適性：下肢外骨骼的運動與人腿的運動要 具有很
4、好的協(xié)調(diào)性。其結(jié)構(gòu)、自由度的配置要與人體結(jié)構(gòu) 與自由度相匹配。使穿著者感覺柔順自然，不會有大的干 擾，外骨骼腳落地時的沖擊要小，盡量讓穿著者感覺舒 適。 7、待機時間：要保證能長時間地提供外骨骼運動的能 源供應，能源裝置要盡量的輕便，確保士兵長距離行軍。 8、降低成本：在能夠?qū)崿F(xiàn)功能的情況下盡量降低產(chǎn)品 成本。,外骨骼機器人的設計結(jié)構(gòu),外骨骼機器人在人的控制 下負重行走,人提供思維、 判斷、決策和控制能力;外 骨骼發(fā)揮其強勁的承載能 力,人機合一,協(xié)調(diào)合作,共 同完成行軍、偵察、單兵 作戰(zhàn)等任務。因此,它包括 外骨骼腳、行走跨步的兩 條腿、實現(xiàn)轉(zhuǎn)身的腰部、 托放行李的后背架,以及能 量控制單元
5、等部分(右圖為 下肢外骨骼總體結(jié)構(gòu))。,外骨骼設計結(jié)構(gòu)示意圖,外骨骼機器機器人系統(tǒng)下肢 控制原理：其機械結(jié)構(gòu)由與 人類同步行走的兩條金屬的 腿、將重力傳遞到地面的 腳、能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)身動作的腰 部以及放置重物的后背托架 四部分組成，其中包括傳 感、動力輸出裝置及執(zhí)行元 件、控制系統(tǒng)以及能源系統(tǒng) 等都是實現(xiàn)外骨骼與士兵共 同完成負重行軍任務所不可 缺少的。,外骨骼系統(tǒng)工作原理,裝備外骨骼的士兵在此套系統(tǒng)的幫助下能夠輕松實現(xiàn)負重 長途行軍，跋涉于車輛不易行駛的路面，完成偵察、作戰(zhàn) 等任務。外骨骼與士兵人機合一，人提供智慧，外骨骼提 供承載能力，即所謂的“人在回路中”，充分發(fā)揮人與機 器各自的優(yōu)勢。外骨
6、骼全身布置了傳感器，通過安裝在各 部位的傳感器獲得各項數(shù)據(jù)（包括各種能量及角度以及扭 矩等）并傳遞到中央控制處理器，中央控制處理器經(jīng)過計 算來調(diào)整外骨骼的動作，通過驅(qū)動裝置使其完成與士兵相 同的一系列下肢動作。下肢外骨骼工作原理如下圖：,外骨骼控制方法,外骨骼機器人和其他機器人的 最大區(qū)別在于它的操作者是 人，而不是機器，操作者處于 回路中，即“人在回路中 （ManinLoop）”，操作者與 外骨骼具有實實在在的物理接 觸，形成了一個人機耦合的一 體化系統(tǒng)。人機耦合系統(tǒng)的控 制目的是使人和機器能夠協(xié)調(diào) 地工作?，F(xiàn)在世界各國研制的 外骨骼機器人控制方法如下：,1、操作者控制,有些外骨骼中是用于康
7、復中心的，它有外部能源 驅(qū)動的步態(tài)矯正裝置。這些裝置主要是下肢外骨 骼，用于支撐重量，對操作者進行下肢康復訓練。 這些裝置的命令信號一般來自于健康的肢體。例 如，由Yano設計的外骨骼中使用了一個開關和地面 反作用力傳感器，通過操作者的控制，驅(qū)動髖關節(jié) 運動，改變腳底離開地面的距離。這種方法的缺點 是，操作者的上肢只能用來發(fā)布命令，而不能進行 其他的活動，并且操作者必須連續(xù)不停地發(fā)布命 令，不僅浪費了體力，而且操作者的運動也變得很 不自然。,2、肌電控制,1851年法國科學家Dubois-Reymond首次提出肌肉傳感的 問題，如今，肌電信號（electromyograms，EMGs）模型 已
8、經(jīng)從線性模型發(fā)展到非線性模型，廣泛應用到肌電傳感 器的設計和應用中。Rosen研究了基于EMG信號驅(qū)動的手 臂外骨骼系統(tǒng)。試驗表明操作者可以用很小的力就可以操 作外部負載。下肢外骨骼中最成功的應用EMG信號的是 日本的HAL，HAL采用EMG信號來辨識人的運動意識， 它考慮了人腿具有的粘性特性和彈性特性，基于阻抗控制 方法研究了HAL的粘性特性的控制，對肌肉的粘彈性特 性進行了深入的分析，使得穿上HAL的操作者運動起來感 覺非常舒適。肌電傳感有其自身的優(yōu)點和缺點。傳感器每 次都要貼到人體表面，使用不方便。,3、預編程控制,有些外骨骼裝置通過預先編好的程序來運行，操作者 只能進行有限的干預。下肢
9、運動矯正裝置用來幫助癱瘓者 恢復運動能力。裝置的運動軌跡是預先編程設計好的，設 計時根據(jù)正常人的運動步態(tài)來設計并有所改動以適應于矯 正裝置。有源步態(tài)矯正裝置是針對那些腿部受到物理損傷 的患者設計的，通過預先編好的程序，控制機械關節(jié)模擬 正常人的行走步態(tài)，帶動患者運動，幫助患者進行行走訓 練的康復裝置設計了一些預先編好程序的運動，同時，通 過安裝在腳底的力傳感器來計算應該分配在每個關節(jié)上的 力矩。Colombo的步態(tài)矯正器同樣是一個位置控制裝置， 程序控制參數(shù)（如步幅、速度）可以根據(jù)患者的不同進行 調(diào)節(jié)。所有這些基于程序控制的康復矯正裝置都需要患者 使用手杖或者額外的輔助框架來保持操作者行走的穩(wěn)
10、定， 而且現(xiàn)的運動形式也十分有限。,4、主從控制,主從控制一般用于遠程機器人操作系統(tǒng)，目的是令遠 方的機器模擬操作者的動作。為了能連續(xù)不斷地捕獲人體 的運動，操作者必須穿戴一套主外骨骼裝置。這種方法的 目標是通過反饋，控制機器的關節(jié)角度跟蹤相應的人體的 關節(jié)角度。這種控制方法不僅要控制終端的位置和方向， 而且要控制整個裝置的姿態(tài)。Hardiman采用的就是主從 控制方法，具有30個自由度，用于增強人的負荷能力。 內(nèi)部的外骨骼是“主”，由操作者控制，為外部的“從” 外骨骼提供命令。在主從控制方法中，人必須能從初始位 置移動到一個期望的位置才能帶動外骨骼運動。因此，必 須有兩個外骨骼：一個是主外骨
11、骼，穿戴在人身上用于記 錄人的關節(jié)角度和肢體環(huán)節(jié)的位置和方向；一個是外部的 從外骨骼，用來模仿人的運動，同時背負負荷。使得系統(tǒng) 的設計變得相當復雜。,5、直接力反饋控制,在機器人力控制系統(tǒng)中可以采用力傳感器的反饋信息 將機器與其周圍環(huán)境之間的力維持在一個預先定義的水 平。在外骨骼系統(tǒng)中，操作者和外骨骼之間的力也可以被 控制，使操作者不會感受到外骨骼的存在。Kazerooni和 Hayashibara分別采用了直接力反饋控制方法來控制用于 增強人的舉重能力的上肢能量輔助臂?？刂频哪繕瞬皇强?制人和機器在接觸點上的力達到一個預先設定的值，而是 控制人施加在負荷上的力成比例的減小。在這種控制方法 中
12、，機器用來承載負荷，人則感受到一個成比例下降的負 荷。在力反饋控制方法中，人和機器的所有接觸點都必須 通過力傳感器來測量，但實際上卻很難實現(xiàn)，因此，力傳 感器的安裝數(shù)量和位置就必須經(jīng)過仔細驗證。例如，傳感 器的數(shù)量必須要大于或者等于外骨骼的最大自由度數(shù)。傳 感器的安裝位置應該是人們習慣于感受接觸力的部位。,6、地面反作用力控制,廣義的地面反作用力（GRF）控制是一種區(qū)別于傳統(tǒng)的機 器人控制方法的控制策略（作用在一點上的廣義力包含作 用在這個點上的力和通過這個點作用在環(huán)節(jié)上的力矩）。 從直觀上來說，在步態(tài)過程中，除了重力之外，GRF是惟 一一個作用在人身上的外力和力矩，并且這個廣義力是在 運動過
13、程中推動系統(tǒng)質(zhì)心移動的惟一力。這使我們聯(lián)想到 是否可以通過控制外骨骼的GRF來控制外骨骼。由于外骨 骼的質(zhì)量特性與人的質(zhì)量特性相似，所以如果外骨骼的地 面反作用力與人的地面反作用力相似，則外骨骼就可以與 人同步行走。應用GRF控制律必須測量人的地面反作用力 和外骨骼的地面反作用力。且系統(tǒng)所有的運動特性都需要 被測量，并且必須精確的知道人和外骨骼的動態(tài)模型，這 些都是比較困難的。,7、ZMP控制,新加坡南洋理工大學采用下肢軌跡跟蹤和零力矩點ZMP （ZeroMomentPoint）控制的方法設計了一套下肢能量增 強外骨骼。通過在人腿上安裝的角度傳感器測量人體的位 置信號，控制外骨骼的腿跟蹤人腿的
14、運動軌跡，然后，通 過控制外骨骼的ZMP保持外骨骼的穩(wěn)定。在行走過程中， 只有ZMP的軌跡保持在支撐區(qū)域，才能保持步態(tài)的穩(wěn)定。 在一個完整的步態(tài)中，處于單支撐階段時，支撐腳的GCP 就是外骨骼的ZMP，在雙支撐階段時，ZMP的位置是兩個支 撐腳的位置的函數(shù)。在控制過程中通過測量人的ZMP，作 為外骨骼的ZMP的參考輸入，控制外骨骼的ZMP跟蹤人的 ZMP。一旦外骨骼的ZMP的偏離人的ZMP，就通過髖關節(jié)處 的驅(qū)動器，控制外骨骼的軀干對外骨骼的ZMP進行補償， 保持其與人的ZMP的一致。缺點是，必須在人體上安裝角 度傳感器，作為外骨骼的位置參考，使用起來不方便。,8、靈敏度放大控制,傳統(tǒng)的骨骼服
15、機器人需要在操作者和骨骼服之間安置 大量的傳感器來測量人機之間的交互信息，大大降低了操 作者的舒適度。靈敏度放大控制（SensitivityAmplification Control，SAC）方法則不需要在人機之間安裝任何傳感 器，同時又能控制骨骼服跟隨操作者的運動。該方法中， 將人施加的力到外骨骼輸出的傳遞函數(shù)定義為靈敏度函 數(shù)，控制的目標就是通過控制器的設計使得該靈敏度函數(shù) 最大化，則可以實現(xiàn)用很小的力就能改變外骨骼的位置。 但是，靈敏度控制方法嚴格依賴于系統(tǒng)的動態(tài)模型，而骨 骼服是一個多剛體、多自由度的非線性系統(tǒng)，想要建立其 準確的數(shù)學模型十分困難。,起源：外骨骼機器人的技術起源于美國1
16、966年的哈德曼助力機器人的設想及研發(fā)。但是直到今天這項技術仍處于研發(fā)階段，并沒有裝備軍隊。其中有些技術還沒有完善。例如：能源供給裝置以及高度符合人體動作的復雜、敏捷及準確要求的控制系統(tǒng)和力的傳遞裝置等。目前世界各國都在大力研發(fā)和試驗該項技術。,世界各國外骨骼的發(fā)展狀況,勇士-21外骨骼系統(tǒng)，是俄 羅斯可穿戴式外骨骼機械作 戰(zhàn)服。2009年10月27日，俄 國防部第3中央研究所所長 弗拉基米爾博伊科宣布， 他們將斥資3500萬美元在 2015年前開發(fā)出“勇士-21”可 穿戴式外骨骼機械作戰(zhàn)服， 它能讓步兵在攜帶重物的情 況下高速飛奔，在動力耗盡 時快速脫下。這將有效提高 傳統(tǒng)步兵的戰(zhàn)斗力，并給
17、俄 陸軍帶來革命性轉(zhuǎn)變。,XOS外骨骼系統(tǒng)是Steve Jacobsen博士 的得意之作，是為了創(chuàng)造出超人的士 兵，而由美國國防部高等研究計劃局提 供了1000萬美元的軍事研究預算，經(jīng) 過7年秘密研發(fā)出來的，代表了機械外 骨骼領域最尖端的技術。這項研究在高 級研究計劃署的資金支持下開始迅速發(fā) 展。XOS的控制思想同伯克利低位肢體 外骨骼 (BLEEX)一樣，控制系統(tǒng)通過檢 測系統(tǒng)和微機系統(tǒng)判斷人的下個動作， 從而決定加給人體多大的助力及速度， 并且也是通過液壓系統(tǒng)將力傳給外骨骼 機構(gòu)，但它是全身武裝的外骨骼，利用 附在身體上的傳感器，可以毫不延遲地 反應身體的動作，輸出強大的力量。但 目前“X
18、OS”有一個重大缺陷，就是XOS 還要拖著一條電線才行，而自帶的電池 只能使用40分鐘，如果解決這個問題， 相信很快就可以實用化。,HULC外骨骼機器人： 美國防務巨頭洛克希德馬丁公司測試 新一代“人類負重外骨骼”（HULC）系 統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種模仿人體結(jié)構(gòu)特點設 計的外穿型機械骨骼，內(nèi)部配備有液壓 傳動裝置和可像關節(jié)一樣彎曲的結(jié)構(gòu)設 計，不但能夠直立行進，還可完成下蹲 和匍匐等多種相對復雜的動作。動力源 為兩塊總重量3.6公斤的鋰聚合物電池, 充滿電后可保證穿著者以4.8公里/小時 的速度背負90公斤重物持續(xù)行進一個小 時。而穿著外骨骼的奔跑沖刺速度可達 到16公里/小時。 HULC裝備有更
19、加先進 的軟件、并采用適用度更廣的設計。這 種外骨骼系統(tǒng)可配備不同型號的裝甲鋼 板、制冷/加熱系統(tǒng)和傳感器。性能先 進，但HULC系統(tǒng)的控制并不復雜，先進 的便攜式微型計算機可以讓這種外骨骼 與士兵們的運動保持協(xié)調(diào)一致。,,大力神可穿戴式外骨骼 該項目由法國武器裝備總署制 定，這種外骨骼能夠輔助士兵 增強其在戰(zhàn)場上的負重能力和持 久作戰(zhàn)能力。獨特之處在於不採 用無線電控制，系統(tǒng)能夠自動探 測到肢體運動，隨後根據(jù)支持意 圖代替穿戴者執(zhí)行這一動作。與 其他競爭項目不同的是，大力神 外骨骼採用專利技術，具備出色 的性能 ，使用者可攜帶100千克 重物，其電池可使穿戴者以4千米 /小時的速度行進大約2
20、0千米。該 外骨骼的應用範圍廣泛，包括： 幫助消防隊員、特種部隊和步兵 將重物運送至指定地區(qū)；在醫(yī)療 領域為殘疾患者提供幫助；在建 築和後勤領域用於運送重物。,,救援機器人T52 Enryu T52 Enryu 重量近5噸，身高 達到3米。它非常強勁，可以 幫助救援人員清理路面上的 碎片。T52 Enryu 可以在任 何災害的救援工作中派上用 場，例如地震。它靠液壓驅(qū) 動，也被稱之為“超級救援 機器人”，能舉起近1 噸的 重物，機械臂則可以完成所 有類型的動作。T52 由日本 公司Tmsuk于1994 年3 月設 計，而后在長岡技術科學大 學接受測試。測試中，它成 功從雪堆上舉起一輛汽車。,外
21、骨骼機器人套裝 日本筑波大學Cybernics實驗室 ，總部 位于東京東北部，以研發(fā)機器人為主要 業(yè)務。先前，它推出過一款幫助人行走 的外骨骼機器人套裝，2011年11月日 推出升級款“混合協(xié)助肢”，即。 一份企業(yè)聲明說，這一套裝可以幫助核 能工作人員更輕松地行走、工作，后者 在強輻射環(huán)境下往往需要身穿公斤 重的鎢材料防輻射服。這款套裝中的傳 感器可以監(jiān)測人體大腦傳遞給肌肉的電 信號，從而預見和支持人體的行動?！靶?款機器人套裝可以承受鎢材料防 輻射服的重量，幫助穿著者在不感覺到 負擔的狀況下工作，降低在嚴酷環(huán)境下 工作的風險，使人們可以在災難之初展 開修復行動?！鄙胁恢獣赃@一新款套裝是 否會
22、用于福島第一核電站清理工作。但 是先前，這家企業(yè)已把老款套裝租借給 了上百家醫(yī)院和其他福利機構(gòu)。,,外骨骼機器人技術的未來展望 ： 人類使用的外骨骼助力機器人，其中可用在三大方面，即軍事、 民用(工程、救援等)、醫(yī)療?？梢哉f助力機器的本質(zhì)就是將人類 本身的力量和動作速度放大幾倍甚至上千倍。本次探討的外骨骼 機器人技術是這個本質(zhì)的直接體現(xiàn)，結(jié)合現(xiàn)在的研究進展和人類 的生存需要，我們可以展望將來的技術發(fā)展要達到助力設備就像 我們?nèi)祟惔┐鞯囊路粯硬粌H不會對人了本身的動作構(gòu)成阻礙， 還能根據(jù)人的大腦意識將人的目標動作（力量及速度）放大到需 要的目標值，比如人自身不能抬起一輛小型汽車，但穿戴外骨骼 服
23、裝后單獨的個體就能順利的舉起這輛汽車，并且還要能舉著它 走或跑著運動起來。將來應用的領域，由可以看出，未來的外 骨骼助力裝置能應用在包括軍事、礦產(chǎn)、工業(yè)、醫(yī)療等等很多方 面，由于未來需要人體的機能不斷提升，甚至要遠遠超越自身極 限，外骨骼助力設備會顯得格外重要，最終成為必不可少的產(chǎn)品。,目前在我國，針對外骨骼技術的 研究處于起步階段，但起點高， 發(fā)展比較迅速。其中，清華大 學、浙江大學、上海交通大學、 哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大 學、天津大學、河北工業(yè)大學、 中科院合肥智能機械研究所等相 關科研機構(gòu)，正在開展外骨骼技 術相關研究工作。浙江大學流體 傳動與控制國家重點實驗室從上 世紀90年代開始致力于人機一體 化理論研究，并逐步衍生出人機 智能柔性外骨骼技術研究，研制 了氣動下肢助力外骨骼，卒中和 偏癱病人上肢、下肢運動康復訓 練外骨骼系統(tǒng)等。,
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