可动外骨骼国内外研究现状和发展趋势
时间:2018-03-21 09:49 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
| 第一款可动外骨骼出现在20世纪60年代末和70年代初的贝尔格莱德的通用电气公司（GE ）和米哈伊洛普平研究所。哈迪曼全身骨骼重680公斤，使用主从系统控制，液压驱动系统。由于处于初期研究阶段，哈迪曼存在安全和复杂性问题，它不能行走，也不能平稳的移动[1]。19895 贝尔格莱德外骨骼装置的主要作用是帮助截瘫患者进行康复训练[2]。与哈迪曼项目类似，它没有便携式可移动电源。贝尔格莱德外骨骼使用预定义控制方法，外骨骼只能遵循预先设定的行走动作，这大大限制了它的实用性。然而，这个项目实现了现在仍在人形机器人中应用的零力矩点控制。 哈迪曼外骨骼 继1970年的尝试，相对比较少的人在研究下肢外骨骼。1993年在加州伯克利大学有一个电力扩展研究项目，这种与哈迪曼类似的全身外骨骼使用电动驱动来增强人的能力。伯克利项目中使用力传感器来检测和增强人的力量，但在步行方面仍然有局限性。 21世纪，外骨骼的研究得到了快速发展。在日本神奈川科技研究所开发出一个完整的、搭载独特气动驱动器的“可穿戴式动力套装”[3]。它通过肌电控制方法来控制外骨骼的三个驱动器（膝盖，腰部和肘部）上的力，使用肌肉压力传感器分析操作者的运动状况，通过独特的气压传动装置来实现增加人的肢体力量的目的。该动力装置比较轻便，主要用来帮助护士照料体型较重或根本无法行走的病人。驱动的局限性和缺乏便携式电源限制了这种外骨骼的应用，而且它也不能进行外部负载。 日本的筑波大学开发的轻量级的动力辅助装置HAL[4]。它采用肌电控制方法，对人的腿部肌肉采用肌电传感器和地面反作用力传感器，HAL利用电驱动器控制膝关节和髋关节。该外骨骼有便携式电源，但它只是设计帮助老年人或者残疾人正常行走，因而不能进行外部负载。HAL能帮助残疾人以4km／h的速度行走， HAL的运动完全由操作者通过自动控制器来控制，操作者穿上HAL可以极大的增加人体的负重能力。 日本的筑波大学开发的轻量级的动力辅助装置，HAL 2004年，伯克利分校研制出了第一款能够携带外部负载的自主式下肢外骨骼伯克利下肢外骨骼（BLEEX）[5]，其基本组成包括：基本金属框架、能源、液压驱动系统与控制系统。以前的外骨骼不是连接在一个固定的电源就是不足以承载外部负载，但BLEEX能够承载其自身重量以及外部载荷。此外，与传统矫形器不同，BLEEX将重物作用在穿戴者上的力转移到大地。为了解决外骨骼走路时的复杂性，BLEEX项目开发了一种新的控制方案，从而消除人或人与机器相互作用力。BLEEX使用液压驱动系统，直接力反馈控制方法，以及伪拟人化机械结构。目前BLEEX可以支持高达75千克的负载（外骨骼重量+有效载荷），步行速度可达1.3米/秒。 美国加州大学BLEEX 2008年4月，萨克斯公司推出了一款新型的外骨骼机器人XOS（重约70KG），相比较以前的外骨骼机器人，XOS的敏捷度更高，它能毫无延迟的响应人体的动作。当穿上XOS时，它可以增强约十倍人的肢体力量，而且大大提高人的耐久能力，但它有一个缺点就是电池的耐用时间较短，只有大约40分钟[6]。 外骨骼机器人XOS 在发展过程中有一些其他的下肢外骨骼，旨在帮助残疾人。除了外骨骼，其他一些积极的下肢设备也值得一提。Lokomat：现代康复设备下肢运动教练。机器人的躯干被安装到能使操作者的脚按照预定路径运动的平台上，而不是携带负载。虽然Lokomat不是外骨骼，但它是一个面临着类似挑战的成功产品。RoboKnee，由Yobotics开发，一种膝关节矫形器，它利用地面反作用力控制方法预估所需膝关节扭矩，用来提高使用者的力量和行走耐力[7]。 (责任编辑：qin) |