氣動技術(shù)及外骨骼機(jī)器人淺析

1、-氣動技術(shù)與外骨骼機(jī)器人機(jī)械電子工程 吳一、外骨骼的介紹1.1 電影中的外骨骼在科幻小說，以及很多的科幻題材的影視劇中，我們經(jīng)常能夠看到這樣一種特殊的機(jī)甲：它能夠穿戴在人體外表，具備輔助動力，借以提高人類的戰(zhàn)斗力。這樣的裝備即被稱作可穿戴機(jī)器人。?阿凡達(dá)?中的機(jī)器人 ?鋼鐵俠?中的可穿戴式機(jī)器人1.2 外骨骼簡介· 外骨骼的概念：外骨骼技術(shù)實(shí)質(zhì)上可以理解為是一種可穿戴式機(jī)器人技術(shù)，為操作者提供了諸如保護(hù)，身體支撐、運(yùn)動輔助等功能。· 技術(shù)：傳感、控制、信息、融合、移動計(jì)算。· 應(yīng)用：將人類的智力和機(jī)器人的“體力結(jié)合在一起，使得外骨骼能夠在操作者參與的控制模式下完成

2、僅靠操作者或者外骨骼自身能力無法單獨(dú)完成的務(wù)任。· 特點(diǎn)：1、與通常的智能系統(tǒng)相比，柔性外骨骼和操作者組成的人一外骨骼系統(tǒng)并非簡單地給系統(tǒng)添加人工智能或者決策能力，而是借鑒人機(jī)智能系統(tǒng)理論，有效地將人和機(jī)器在感知、決策以及執(zhí)行等多個層次上進(jìn)展有機(jī)地結(jié)合，2、充分發(fā)揮人的智能在整個任務(wù)操作過程中的作用以及機(jī)器的執(zhí)行能力。人機(jī)智能外骨骼系統(tǒng)的根本控制框圖控制系統(tǒng)中操作者，就是人本身，也成為控制系統(tǒng)中的一個組成局部，即“人在回路中(Man in Loop)。這樣，將人與機(jī)械的合理結(jié)合，相比自主控制的機(jī)器人，既能夠保證更強(qiáng)的整體性能，又極降低了技術(shù)門檻。1.3外骨骼的應(yīng)用1、軍事領(lǐng)域：士兵佩

3、戴可穿戴機(jī)器人后，將成為一名超級士兵，擁有無窮的力量，可攜載更多的武器裝備，火力威力增強(qiáng)，防護(hù)水平提高，同時可抑制任何障礙，高速前進(jìn)，不會產(chǎn)生疲勞感。無論是前線作戰(zhàn)的士兵，還是負(fù)責(zé)后勤的工兵，都能夠保持高強(qiáng)度、長時間的作戰(zhàn)，同時也降低了后勤運(yùn)輸?shù)膲毫Α＿@樣，在不增加軍隊(duì)人數(shù)的情況下，可將部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力翻倍，甚至更高。對一支軍隊(duì)的整體作戰(zhàn)能力而言，將是一個極大的提升。美國五角大樓早在20世紀(jì)70年代，就經(jīng)研究認(rèn)為，未來士兵應(yīng)當(dāng)全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動機(jī)器人化，并責(zé)成國防高級研究方案局負(fù)責(zé)，撥款5000萬美元從事這一領(lǐng)域可穿戴機(jī)器人工程的研究。2、醫(yī)療領(lǐng)域主要是協(xié)助殘障人士。如獨(dú)立行走，以及生活中的簡單動

4、作；也可以有針對性地應(yīng)用于下肢康復(fù)訓(xùn)練。經(jīng)典的幾種外骨骼機(jī)器人：1、HAL-5 筑波大學(xué)的 山海嘉之教授 創(chuàng)立的Cyberdyne公司研制出混合助力肢體HAL外骨骼機(jī)器人。HAL-5自身質(zhì)量21kg，可以自我支撐，所以使用者穿上它之后不會感覺有負(fù)擔(dān)。由掛在腰際的鋰電池提供能源的HAL-5至少可以幫助使用者增加40kg的抬起或舉起能力。HAL-5 控制系統(tǒng):沒有使用用力傳感器，而是使用貼附在人體皮膚上的電極檢測微弱的生物電流來判斷使用者想要出力的方式。 記憶并模仿使用者的動作特點(diǎn)，例如*一條腿比較無力，這樣可以更密切地配合使用者，也可以解決*些人生物電流較弱的問題2、松下的機(jī)器人體外骨骼Powe

5、r Loader Light這套外骨骼分別在臀部、膝蓋和腳踝等關(guān)節(jié)處配備伺服電機(jī)，這些電機(jī)由位于鞋底的六軸感應(yīng)器發(fā)出的信號控制?？梢詭椭謸?dān)約60公斤的負(fù)重。還有一些負(fù)重由連接到背部電池的、自行車座椅狀的支撐座來分擔(dān)。3、瑞士Hoa AG公司的Lokomat下肢康復(fù)用外骨骼機(jī)器人，通常是一套依照仿生設(shè)計(jì)的機(jī)械腿，運(yùn)作時系在患者行動不便的肢體上。它能根據(jù)患者的身體情況，引導(dǎo)患者進(jìn)展適當(dāng)強(qiáng)度的活動，以訓(xùn)練下肢行走，防止肌肉萎縮，刺激身體失去運(yùn)動能力的局部。4、伯克利外骨骼伯克利公司的外骨骼機(jī)器人，可以讓喪失下肢行走能力的人員，獨(dú)立行走。這對很多期望擺脫輪椅的患者來說，是個最適宜的禮物。1.4 設(shè)想

6、以下：如果能夠?qū)⑼夤趋赖淖灾髂芰M(jìn)展提升，同時改進(jìn)其構(gòu)造，是否能夠成為完整的雙腿行走機(jī)器人。這樣，很多全身癱瘓的病人，也將有行走的希望。二、康復(fù)訓(xùn)練的應(yīng)用2.1 康復(fù)訓(xùn)練的簡介1. 運(yùn)動康復(fù)主要是指通過肢體的主動運(yùn)動和被動運(yùn)動, 逐步恢復(fù)肢體的運(yùn)動功能。2. 肢體的恢復(fù)性訓(xùn)練包括上肢、下肢和手的運(yùn)動訓(xùn)練。3. 隨著科技的進(jìn)步, 運(yùn)動康復(fù)的實(shí)現(xiàn)手段正從傳統(tǒng)的采用治療師輔助病人進(jìn)展運(yùn)動訓(xùn)練轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎酶鞣N康復(fù)器械甚至康復(fù)機(jī)器人幫助患者進(jìn)展康復(fù)。傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的方式：A. 在康復(fù)早期階段由于患者的運(yùn)動能力較弱, 往往需要被動式訓(xùn)練, 即在外力幫助下進(jìn)展肢體的運(yùn)動。雖然病人不是主動運(yùn)動, 但研究說明, 這

7、樣的運(yùn)動對于神經(jīng)的康復(fù)和防止肌肉的廢退是非常有幫助的。B. 康復(fù)后期在患者能夠主動運(yùn)動的情況下, 可以采用主動式訓(xùn)練。但由于患者的一些功能沒有完全恢復(fù), 此時也需要一些輔助裝置。 2.2使用外骨骼進(jìn)展康復(fù)訓(xùn)練針對傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練，對醫(yī)務(wù)人員體能負(fù)擔(dān)較高的問題，考慮使用外骨骼進(jìn)展輔助康復(fù)訓(xùn)練：1. 一套可以調(diào)節(jié)輔助動力的外骨骼機(jī)器人，可以完成整個康復(fù)訓(xùn)練程序。2. 初期階段：針對患者的病情，提供較大的輔助動力，使其能夠被動的行走，刺激患者的神經(jīng)系統(tǒng)。期間，由外骨骼提供其步態(tài)的矯正。3. 中期及后期：隨著康復(fù)的進(jìn)程，逐漸減小驅(qū)動力，提升患者在行走過程中的自主能力，直至最終恢復(fù)。2.3外骨骼進(jìn)展康復(fù)訓(xùn)練

8、的優(yōu)勢1. 一套外骨骼對應(yīng)一位患者，減輕了醫(yī)務(wù)工作的負(fù)擔(dān)。2. 可以讓患者循序漸進(jìn)的訓(xùn)練，并且自我行走，不拘泥于*個單調(diào)的固定設(shè)備，極大提升患者的心理狀況。3. 對于陪護(hù)人員，可以輔助搬運(yùn)，提高醫(yī)護(hù)人員工作效率，降低勞動強(qiáng)度。2.4外骨骼進(jìn)展康復(fù)訓(xùn)練的缺點(diǎn)1. 單套設(shè)備價格較高，無法大規(guī)模使用。2. 多數(shù)外骨骼都是剛性構(gòu)造，采用金屬材料制成，在提供了很強(qiáng)的負(fù)載能力的同時，也造成了很大的慣性因素，因而其步態(tài)誤差會很難消除，而這種誤差會對人體造成疼痛甚至損傷。3. 驅(qū)動力由液壓和電機(jī)供給，對相對脆弱的人類身體來說，也具有一定危險(xiǎn)性。4. 單套設(shè)備，僅用電池作為能源供給，續(xù)航能力缺乏。2.5 改進(jìn)思

9、路柔性外骨骼機(jī)器人使用氣動驅(qū)動設(shè)備的柔性外骨骼機(jī)器人：1. 平安性，柔順性；2. 廉價性；3. 輕便性。三、氣動技術(shù)的應(yīng)用3.1柔性外骨骼機(jī)器人方案哈佛大學(xué)開發(fā)柔性的體外骨骼 Soft E*osuit 哈佛大學(xué)的“維斯生物工程研究所Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering開發(fā)的一款柔軟的體外骨骼 Soft E*osuit。 Soft E*osuit使用了一些啟動人工肌肉。氣動人工肌肉位于用戶的腳踝、膝蓋和臀部等關(guān)鍵部位，外表覆蓋柔性薄膜，所以功能上和外觀上更像一套人造肌肉外骨骼質(zhì)量僅為7.5公斤，由背后的一個空氣壓縮機(jī)驅(qū)動。研究人

10、員最終會把壓縮機(jī)搭載在衣服里面，從而更加適合快速穿戴。 由氣動人工肌肉組成的根本驅(qū)動單元，可以提供更平安的驅(qū)動力。3.2方案分析第一步：測量人體關(guān)節(jié)參數(shù)指標(biāo)第二步：執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型氣動人工肌肉的參數(shù)：測量長度：200mm外徑：3/8 inch9.525mm徑：1/4 inch6.3mm1 Bar=0.1Mpa由表中的力與位移曲線，可以看出： 1、工作壓力越大，其產(chǎn)生的拉力越大2、同等壓力下，拉伸變形越小，拉力越大。也就是說，在工作壓力下，人工肌肉在原始長度下提供最大拉力。最終選擇工作壓力為0.4Mpa，而不是最高工作壓力。雖然犧牲了一定的拉力性能，但可以保證更好的平安性。所需長度，由工作時各個關(guān)節(jié)所需拉力計(jì)算得出。第三步：設(shè)計(jì)合理的連接點(diǎn)1) 橙色局部代表氣動人工肌肉，成對分布，通過有配合的拉伸產(chǎn)生踝關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和大腿關(guān)節(jié)所需力矩。2) 紅色圓點(diǎn)為固定點(diǎn)。固定點(diǎn)連接人工肌肉，傳遞拉伸作用力。3) 黑色局部為不可延伸的束帶。束帶附著在身體體外表，將固定點(diǎn)傳遞來的拉力，有目的地進(jìn)展傳遞，以應(yīng)對人體的負(fù)荷。束帶與固定點(diǎn)的作用圖示1、大腿處的人工肌肉提供拉力F1，由于自身在膝關(guān)節(jié)處的彎曲，作用