第二十一届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛项目论文 外骨骼机器人设计、控制机理研究 院（系）名称自动化科学与电气工程学院 专业名称自动化 学生姓名刘旭郑博文徐健伟 学号刘旭38030410 郑博文38030423 徐健伟38030518 指导教师刘正华副教授 2011年4月1日
摘要 外骨骼，类似某些动物的外壳，是一种能穿在人身上,提供额外的动力的机械装备，能够实现行动障碍人士的康复训练以及负重行走等功能。它主要分为三个部分：机械部分，软件部分，电气部分。其中机械部分的主要作用是承担负重，保证系统能实现运动的功能；软件部分主要用于整个系统的数据采集、控制信号的发出；电气部分主要用于给系统供电、完成信号采集、发送和运动的功能。我们设计制作了一种外骨骼机器人。本文针对此项作品主要介绍了当前外骨骼机器人的研究现状和本作品的制作背景，阐述了一种负重型外骨骼机器人的设计过程及相关结构。本文是对“外骨骼机器人设计、控制机理研究”作品的比较全面的介绍。 关键词外骨骼，机器人，PID控制，电机控制，虚拟样机 Abstract Exoskeletons, like the shells of some sorts of animals, are a kind of mechanical equipment that can help the disabled to learn to move normally and provide the users with extra strength to bear more than he can actually do walking or running. In general, it can be divided into three parts, mechanical part, software part and electrical t part. Among these, the mechanical part is used to bear the weight, the software part is to get state data and send out control signal and the electrical part is to power the system, pick signal and move. We have already made a sort of this, and with regard to it, this article is mainly about the previous studying condition and the background of this work. In addition, the procedure of our designing and working with the kind of exoskeletons is specifically described. This article is a comprehensive introduction to our work …The design of a sort of exoskeletons and study of how to control it?. Abstract Exoskeletons, Robort , PID Control, Motor control, Virtual prototype
外骨骼助力机器人研究现状与关键技术 分析 王庆江 深圳第二高级技工学校广东深圳 518000 摘要：运用比较传统的运载方法以及在工具受到多方面因素的制约，在比较复杂的地形条件之下，传统运载工具不能够很好的工作，而外骨骼助力机器人有效地解决了这个问题，是一个非常明显的突破。因此，在当前世界各地，外骨骼助力机器人的研究有着非常好的前景。本文从不同方面分析外骨骼助力机器人的发展状况，主要分析了外骨骼助力机器人所涉及到的关键技术，并且作出深入的研究。 关键词：外骨骼助力机器人；研究现状；关键技术外骨骼助力机器人是一种全新的现代化装置，这种机器人融合多种信息,控制系统传感系统集于一身,并且为穿戴人员控制好功能和任务。外骨骼助力机器人是一种前沿技术装备，受到多方的关注并且取得了突出的效果。在我国，外骨骼助力机器人研究借鉴先进技术，并且不断地创新，主要研究外骨骼助力机器人在我国国内的发展现状以及其关键技术分析。 1.在国内外，外骨骼助力机器人的研究现状分析 随着时代的进步以及科技的不断发展，最新型的材料和技术充分应用在外骨骼助力机器人的发明上，促使外骨骼助
力机器人得到很好的发展。在一些发达国家，对外骨骼助力机器人进行改良，并且不断创新，经过努力，在我国国内对于外骨骼助力机器人的发明和创新也取得了很明显的成效。下面将归纳分析目前为止国内外外骨骼助力机器人的研究状况。 1.1国外对于外骨骼助力机器人的研究状况分析 表1 国外对于外骨骼助力机器人的研究表 1.2我国国内对于外骨骼助力机器人的研究状况分析 表2 国内对于外骨骼助力机器人的研究表 2.外骨骼助力机器人关键技术分析 2.1驱动技术 2.1.1液压驱动 通过运用液压驱动能够在很大程度上帮助外骨骼助力
下肢外骨骼机器人研究现状及发展趋势 外骨骼机器人是可以穿戴在人身体外部的人机一体化机械结构，它与穿戴者一起行走，为其提供助力和保护。详述了下肢外骨骼机器人在各领域的应用，并分别列举各领域的应用实例，分析了下肢外骨骼机器人在设计过程中要解决的关键技术，介绍了外骨骼机器人几种不同的驱动方式，并进行对比分析其优缺点，对下肢外骨骼机器人技术的发展趋势进行预测。 标签：下肢外骨骼；机器人；可穿戴 Abstract：Exoskeleton robot is a human-machine integrated mechanical structure which can be worn on the outside of the human body. It walks with the wearer to provide assistance and protection. The applications of the lower limb exoskeleton robot in various fields are described in detail，and the key technologies in the design of the lower limb exoskeleton robot are analyzed. This paper introduces several different driving modes of exoskeleton robot，analyzes their advantages and disadvantages，and forecasts the development trend of lower limb exoskeleton robot technology. Keywords：lower limb exoskeleton；robot；wearable 引言 在自然界中，外骨骼是一种能够保护和支撑生物柔软內部器官的外部结构，比如螃蟹、蜗牛、昆虫等生物的甲壳。由此，科学们提出了外骨骼机器人的概念-用于保护穿戴者并为其提供额外的动力。比如家庭用辅助型外骨骼机器人可协助年老体弱者正常行走；医用康复外骨骼机器人可使残疾人像正常人那样重新站立起来；军用负重式外骨骼可使士兵在携带负载的情况下依旧健步如飞。由此可见，外骨骼机器人既有研究价值，也有很高的实用价值，已成为国内外科学家们研究的一个重点方向，其发展前景十分广阔[1]。 1 下肢外骨骼机器人研究现状 随着科学技术的发展，比如在仿生学技术、智能控制技术、传感器技术和材料技术等相关领域的突破，外骨骼机器人技术的研究也取得了很大的进步[2]。下面简要介绍下肢外骨骼机器人的研究现状。 外骨骼机器人主要分为三大类。第一类是助力型外骨骼机器人，主要面向健康人群，提高人的负载能力，用于军事领域，可增强士兵负重能力。这方面比较成功的是洛克希德·马丁公司研制出的HULC型外骨骼机器人[3]（如图1 所示）。它总质量约为32kg，主要通过电池提供能量，蓄电池在充满电之后可使士兵在负载90kg并以16km/h的速度行驶的情况下行走一个半小时。其特点
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摘要 外骨骼机器人又称可穿戴机器人，是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的机器人。外骨骼机器人融合了传感、控制、驱动、信息融合、移动计算等综合技术为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构。本文介绍了外骨骼机器人的发展历史以及国内外研究现状，对外骨骼机器人的关键技术：机械结构设计，驱动单元，控制策略进行了研究，分析了其技术难点最后对其发展前景进行了说明。 关键词：外骨骼机器人关键技术
引言 (5) 1.发展历史及现状 (6) 1.1国外发展历史现状 (6) 1.2国内发展历史现状 (9) 2.关键技术分析 (11) 2.1外骨骼机器人的结构设计 (11) 2.2外骨骼机器人驱动单元 (12) 2.3外骨骼机器人的控制策略 (12) 3.外骨骼机器人技术难点分析 (15) 4.前景展望 (17) 4.1 外骨骼机器人的研究方向 (17) 4.2外骨骼机器人技术的应用 (17)
现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运沉重的负载等。虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力。与此同时，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完成的任务不受人的智能的约束，而仅受人的体能的限制。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是外骨骼机器人的设计思想。外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、控制、驱动、信息融合等机器人技术，使得外骨骼能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。本文通过介绍外骨骼机器人的发展历史及研究现状进一步分析了外骨骼机器人的关键技术，并对其技术难点以及发展前景作了说明，以期在全面认识外骨骼机器人基础上对其开展进一步深入研究。
人体下肢外骨骼机器人的步态研究现状 王楠，王建华，周民伟 外骨骼（exoskeleton ）一词来源于生物学，是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构[1]，如甲壳类和昆虫等节肢动物的外骨骼系统。人体外 骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置结合为一体的机器人[2]。美国于2000年开展了“增强人体机能的外骨骼”（Exoskeletons for Human Performance Augmentation ，EHPA ）研究项目[3-4]，自此，外骨骼机器人的开发与应用逐渐进入 人们的视线，成为关注的焦点。由于外骨骼机器人不仅为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，还能在操作者的控制下完成一定的功能和任务，因此在下肢功能障碍患者的步行功能锻炼过程中的应用逐渐增多[5-7]；此外，其在单兵作战装备 【摘要】外骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置相结合的一种机器人，不仅可以为操作者提供保护、身体支撑等功能，还可以在操作者的控制下完成一定的功能和任务，应用前景巨大。文中阐述人体下肢外骨骼机器人下肢外骨骼实现行走应具备的关节及其活动度，介绍下肢外骨骼机器人步态控制的基础——正常步态分析，详细论述了目前控制下肢外骨骼机器人行走及步态稳定性的主要方法。 【关键词】下肢；机器人；外骨骼；步态 中图分类号：R-05，R336文献标识码：A 文章编号：1674-666X(2012)01-0062-06 Current researches of gait analysis on human lower extremity exoskeleton robotic device WANG Nan,WANG Jianhua,ZHOU Minwei.Department of Overseas Chinese,Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command,Guangdong 510010,China 【Abstract 】Exoskeleton robotic device is a kind of robot that combines the intelligence of human with the mechanical power of machine,which can not only provide protection and support for operators but also accomplish certain functions and missions under the control of operators.In this paper,relative key factors of lower extremity exoskeleton robotic device techniques are introduced briefly such as the joints and the range of motion (ROM)which the lower extremity exoskeleton should be equipped,the normal gait analysis which is the basis of gait control of the exoskeleton robot,and then the major walking control methods and gait stability control methods for lower extremity exoskeleton robotic device which are discussed in detail. 【Key words 】Extremities;Robotics;Exoskeleton;Gait DOI ：10.3969/j.issn.1674-666X.2012.01.010 基金项目：广东省科技计划项目（2010B010800006），广州市科技计划项目（2010J-E311） 作者单位：510010广州军区广州总医院华侨科（王楠）；脊柱外科（王建华）；医务部（周民伟）E-mail ：115989930@https://www.doczj.com/doc/e28518108.html, 综述
外骨骼机器人研究发展综述 李罗川
摘要 外骨骼机器人又称可穿戴机器人，是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的机器人。外骨骼机器人融合了传感、控制、驱动、信息融合、移动计算等综合技术为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构。本文介绍了外骨骼机器人的发展历史以及国内外研究现状，对外骨骼机器人的关键技术：机械结构设计，驱动单元，控制策略进行了研究，分析了其技术难点最后对其发展前景进行了说明。 关键词：外骨骼机器人关键技术
目录 引言 (4) 1.发展历史及现状 (5) 1.1国外发展历史现状 (5) 1.2国内发展历史现状 (9) 2.关键技术分析 ...................................................................................................................... 1..1 . 2.1外骨骼机器人的结构设计..................................................................................... 1..1... 2.2外骨骼机器人驱动单元.......................................................................................... 1..2... 2.3外骨骼机器人的控制策略..................................................................................... 1.. 3... 3............................................................................................................ 外骨骼机器人技术难点分析................................................................................................................. 1..6... 4............................................................................................................ 前景展望 ........................................................................................................................................................ 1..8 . 4.1外骨骼机器人的研究方向..................................................................................... 1..8... 4.2外骨骼机器人技术的应用 .................................................................................. 1...8..
外骨骼技术研制始于1960 年代的美国，最早的研究成果是美国通用公司研发的Hardiman 外骨骼系统，其主要采用电机驱动控制，可以轻易举起重物。 1978 年，美国麻省理工学院研究出“被动式外骨骼助力机器人”。MIT的外骨骼下肢助力机器人能够在负载36公斤的情况下行走1m/s，其中80%的负重被传递到地面上。它的关节自由度配置包括髋关节有3 个自由度，膝关节 1 个自由度。穿戴者与机器人在肩膀、腕关节、大腿和脚部连接，机器人总重量是11.7Kg。驱动方式不采用电力驱动，只利用弹簧储能和变阻尼器驱动关节驱动。髋关节伸/屈运动时，伸运动时弹簧释放能量，屈运动时弹簧储存能量，膝关节利用磁流变阻尼器，踝关节利用碳纤维弹簧缓冲脚后跟对地面的冲力。传感器系统是由安装在外骨骼下肢助力机器人外壳的应变桥式应变片传感器和安装在膝关
节的电位计组成。 2004年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼机器人BLEEX是DARPA项目的第一台带移动电源和能够负重的下肢外骨骼机器人。BLEEX由--个用于负重的背包式外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源，以全面增强人体机能。BLEEX的每条腿具有7个自由度(髋关节3个，膝关节1个，踝关节3个)，在该装置中总共有40多个传感器以及液压驱动器，它们组成了一个类似人类神经系统的局域网。BLEEX的负重量能达至75kg，并以0．9m／s的速度行走，在没有负重的情况下，能以1．3m／s的速度行走。
目前，洛克希德·马丁公司和伯克利分校共同研制了新一代外骨骼机器人HULC 。这款新型外骨骼继承了BLEEX 的优点，对一些液压传动装置和结构进行了优化设计，不但能够直立行进，还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作，穿上HULC 后能够明显降低人体对氧气的消耗量。在一次充满电后，HULC 可保证穿着者以4．8km ／h 的速度背负90kg 重物持续行进一个小时。而穿着HULC 的冲刺速度则可达到16km ／h 。HULC 穿戴起来也非常方便，士兵只需将腿伸进靴子下方的足床，然后用皮带绑住腿部、腰部以及肩部即可，完全脱下需30秒的时间。
下肢外骨骼康复机器人设计及运动学分析 发表时间：2017-03-16T14:57:02.420Z 来源：《科技中国》2017年1期作者：王子鸣[导读] 本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。 （宜昌市葛洲坝中学湖北宜昌 443002） 摘要：下肢运动功能障碍患者为数众多，常规的康复训练高度依赖理疗师，成本昂贵，常人难以承受。下肢外骨骼康复机器人能有效解决这一社会问题。本文设计了一个单腿两自由度主动驱动的下肢外骨骼康复机器人。采用两个直线驱动器分别驱动髋关节和膝关节的运动，直线驱动器末端安装有力传感器，通过时时检测人-机作用力实现机器人的柔顺控制。本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。仿真结果表明该下肢外骨骼康复机器人具备辅助病人的能力。关键词：下肢外骨骼，柔顺控制，轨迹规划 0 引言 随着人口老龄化的发展，脑卒中，骨关节炎等老龄化疾病患者数量逐渐增加。这类患者往往患有各种致残的疾病，丧失正常的运动能力[1]。在这样的时代背景下，未来社会对康复医疗的需求将越来越迫切。下肢外骨骼机器人将为解决这一社会问题发挥重要的作用。 近年来，国内外众多研究机构对康复机器人开展了深入的研究。在台架式下肢外骨骼康复机器人研究方面，瑞士HOCOMA公司和瑞士苏黎世联邦理工大学共同研制的Lokomat外骨骼康复机器人，它髋关节和膝关节各采用一个直线电机进行驱动，单腿具有两个自由度，双腿四个自由度。该机器人在轨迹控制的基础上采用了阻抗控制的方式，具有很好的实用性和用户体验[2-4]。哥伦比亚大学研发的ALEX，除了单腿的四个自由度之外，骨盆上还具有四个自由度，机器人总共具有十二个自由度，它将电机放在下肢外骨骼后方,采用带轮等实现电机远端驱动，有效地降低了机器人运动部件的惯量，该机器人采取将切向力和法向力作用在患者的踝关节的方式,切向力帮助患者按照轨迹移动,法向力用于调整踝关节轨迹的法向运动阻碍[5]。荷兰屯特大学研发的LOPES，该机器人采用绳驱动的方式，单腿有四个自由度，除了髋关节和膝关节在矢状面上的各一个旋转自由度外，还增加了骨盆的移动和髋关节的内收外展运动。该机器人同时具有两种不同的控制模式，分别为机器人主动和患者主动，充分考虑到了不同人的行走能力，能根据患者的实际需要提供必要的辅助[6]. 瑞士洛桑理工大学研制的WalkTrainer，它髋关节，膝关节，踝关节各一个自由度，单腿具有3个自由度，同时骨盆具有6个自由度，机器人总共有12个自由度。该机器人采用了肌肉电刺激的物理疗法，同时通过腿部外骨骼上的力传感器，实现了人-机的闭环控制[7]。国内上海璟和研制的Flexbot机器人实现了多体位的康复训练，病情严重的病人在康复训练初期可以躺着进行康复训练，待恢复得较好时，可以选择站立式训练[8]。 此外，在独立式下肢康复外骨骼方面，以色列的Rewalk[9], 美国的EKSO[10]，日本的HAL[11]等都是下肢康复机器人中的杰出代表。国内的电子科技大学研制的外骨骼机器人[12]，北航研制的“大艾’外骨骼机器人[13]也取得了可喜的成绩。 与传统的工业机器人相比，康复机器人的一个突出特点是与人的交互十分频繁。安全性，舒适性，以及适应各种不同的工作环境是康复机器人需要考虑的重要问题。相反，工业机器人所需的高精度，高速度等特性在这里要求并不高。因此，设计出具有柔顺性的下肢外骨骼康复机器人具有重要的意义。 本文将就设计出一套下肢外骨骼康复机器人展开论述。首先，将根据人体下肢结构进行机器人的机械机构设计，接着进行机构的运动学分析，并使用MATLAB软件对该机构进行仿真。仿真结果表明该机器人具有协助病人进行康复运动训练的能力。 1 机构模型 1.1机构模型设计 人体结构模型是设计下肢外骨骼康复机器人基础。因此，我们先对人体下肢进行分析。人体下肢主要有三个关节，分别是髋关节，膝关节，踝关节。髋关节主要有髋臼和股骨组成，在运动时，股骨绕着髋臼运动，是一个球窝关节。膝关节连接了股骨和胫骨，踝关节主要由胫骨和腓骨下端的关节面与距骨滑车构成[14]。人体行走过程中，矢状面上的运动占主导地位。为了机构的简化，我们仅考虑下肢在矢状面上的运动，并把髋、膝、踝关节都简化为铰链关节。 该下肢外骨骼康复机器人为台架式下肢外骨骼机器人，上方的支架与台架相连接。髋关节与膝关节之间的连杆与大腿绑定，膝关节与踝关节之间的连杆与小腿绑定。直线驱动器由直流电机，同步带，滚珠丝杠，以及末端的力传感器组成。同步带，滚珠丝杠等机构把直流电机的转动转化为直线运动。力传感器能够实时检测到直线驱动器的推力，当推力过大时，直线驱动器减慢速度或者停止运动甚至向反方向运动，力传感器的加入增加了康复机器人的柔顺性，避免了机器人对人的伤害。该机构中髋关节和膝关节由两个直线电机主动驱动，踝关节为被动运动。为了能够适应不同人的腿长，设计了长度调节机构。该调节机构为在调节机构上下部之间都加工出一系列出通孔，上下两部分通过螺栓连接。通过调节机构下部分与上部分在不同位置连接，可以改变机构的长度。 1.2机构参数 人体正常步行过程中，髋关节最大屈曲约30°，最大伸展约20°，膝关节最大屈曲约为65°、最大伸展为0°。踝关节最大背屈约为30°，最大跖屈约为50°[14].我们设计的该机构的适应人体身高为150mm-190mm.根据这个数据，经过运动学解算，我们选择直线驱动器的工作行程范围如表1所示。
外骨骼机器人研究发 展综
外骨骼机器人研究发展综述 李罗川
摘要 外骨骼机器人又称可穿戴机器人，是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的机器人。外骨骼机器人融合了传感、控制、驱动、信息融合、移动计算等综合技术为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构。本文介绍了外骨骼机器人的发展历史以及国内外研究现状，对外骨骼机器人的关键技术：机械结构设计，驱动单元，控制策略进行了研究，分析了其技术难点最后对其发展前景进行了说明。 关键词：外骨骼机器人关键技术
目录 引言 (5) 1.发展历史及现状 (6) 1.1国外发展历史现状 (6) 1.2国内发展历史现状 (10) 2.关键技术分析 (12) 2.1外骨骼机器人的结构设计 (12) 2.2外骨骼机器人驱动单元 (13) 2.3外骨骼机器人的控制策略 (14) 3.外骨骼机器人技术难点分析 (17) 4.前景展望 (19) 4.1 外骨骼机器人的研究方向 (19) 4.2外骨骼机器人技术的应用 (19)
引言 现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运沉重的负载等。虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力。与此同时，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完成的任务不受人的智能的约束，而仅受人的体能的限制。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是外骨骼机器人的设计思想。外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、控制、驱动、信息融合等机器人技术，使得外骨骼能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。本文通过介绍外骨骼机器人的发展历史及研究现状进一步分析了外骨骼机器人的关键技术，并对其技术难点以及发展前景作了说明，以期在全面认识外骨骼机器人基础上对其开展进一步深入研究。
２０１８年１１月 第４６卷第２１期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ ２０１８ Ｖｏｌ ４６Ｎｏ ２１ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ ２１ ０１５ 收稿日期：２０１７－０６－２０ 作者简介：石晓博（１９９１ ），男，硕士研究生，主要研究方向为下肢外骨骼康复机器人步态规划研究三Ｅ－ｍａｉｌ：５４７３６３９９２＠ ｑｑ ｃｏｍ三 通信作者：郭士杰，Ｅ－ｍａｉｌ：３０８６８１９８２＠ｑｑ ｃｏｍ三 发展中的外骨骼机器人及其关键技术 石晓博，郭士杰，李军强，赵海文 （河北工业大学机械工程学院，天津３００１３０） 摘要：外骨骼助力机器人是一种可穿戴的机械装置，应用人机工程学二仿生学等相关知识将人的智力和机器人的体力完美地结合在了一起，拥有巨大的发展潜力三为了更好地了解外骨骼助力机器人的发展成果及现阶段存在的问题，现将其发展分为蒸汽时代二电气时代二信息时代三大部分进行介绍，并从机械结构技术二驱动技术二控制技术二人机交互技术以及安全性技术等外骨骼助力机器人关键技术入手，找出现阶段面临的问题，并指明未来的发展方向三 关键词：外骨骼；关键技术；助力机器人；科技时代 中图分类号：ＴＰ２４一一文献标志码：Ａ一一文章编号：１００１－３８８１（２０１８）２１－０７０－７ ＤｅｖｅｌｏｐｉｎｇＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＲｏｂｏｔｓａｎｄＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＳＨＩＸｉａｏｂｏ，ＧＵＯＳｈｉｊｉｅ，ＬＩＪｕｎｑｉａｎｇ，ＺＨＡＯＨａｉｗｅｎ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｐｏｗｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓａｋｉｎｄｏｆｗｅａｒａｂｌｅａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔｓ，ａｐｐｌｉｅｄｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ，ｂｉｏｎｉｃｓａｎｄｏｔｈｅｒｒｅｌａｔｅｄ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅｔｏｐｅｒｓｏｎ ｓｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄｒｏｂｏｔｐｈｙｓｉｃａｌｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｔｏｇｅｔｈｅｒ，ｈａｓｈｕｇｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｏｔｅｎｔｉａｌ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｅｔｔｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｔｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｇｅ，ｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｔｅａｍ ａｇｅ，ｔｈｅａｇｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｇｅｏｆｔｈｒｅｅｍａｉｎｐａｒｔｓ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄｓｔａｒｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｄｒｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｈｕｍａｎ?ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｓｅｃｕｒｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｓｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓｐｏｗｅｒｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｃｏｎｆｒｏｎｔｅｄａｒｅｆｏｕｎｄ，ａｎｄｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ；Ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔ；Ｅｒａｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ０一前言 外骨骼（Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ）这一名词来源于生物学中昆虫和壳类动物的坚硬外壳，其作用在于支撑二运动二防护三项功能紧密结合［１］三与此对应，外骨骼助力机器人是模仿生物界外骨骼而提出的一种新型机电一体化装置 ［２］ ，结合机械结构二控制二驱动方式二人 机交互等关键技术，在为穿戴者提供诸如保护二协同动作等功能的基础上，还能够在穿戴者的控制下完成人类自身无法完成的任务三 文中将外骨骼助力机器人的发展分为３个阶段，即蒸汽时代二电气时代二信息时代三通过介绍每个时代外骨骼主力机器人的发展情况，从而指出现阶段存在的问题，然后从外骨骼助力机器人相关关键技术入手，从根本上分析出现问题的原因，并寻求高效的解决方案三 １一外骨骼助力机器人的发展 外骨骼助力机器人从出现到发展至今，大概分为 ３个阶段，即蒸汽时代二电气时代二信息时代三 １ １一蒸汽时代 １９世纪中后期，人类完成了第一次技术革命， 开启了以蒸汽机代替人力的时代三人类萌生了用蒸汽机驱动人体运动的想法，但由于蒸汽机存在体积过大二容易烫伤等缺点，同时受材料匮乏二工艺落后的 制约，使这一时期的外骨骼仅仅停留在概念设计上三如１８３０年英国著名插画师ＲｏｂｅｒｔＳＥＹＭＯＵＲ所绘的‘ＷａｌｋｉｎｇＢｙＳｔｅａｍ“中提到的穿戴在人体上的蒸汽机行走机，如图１所示三这一阶段提出的外骨骼由于技术发展的限制没有实际应用的价值，但还是为后来的外骨骼设计拓宽了思路三
穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计 摘要:本文设计了一种用于下肢功能障碍患者康复治疗的外骨骼机器人。根据外骨骼机器人的功能与工作原理,分析了其结构组成与设计过程中的关键问题。并从仿生学角度为外骨骼机器人配置自由度,设定关节活动范围及连杆尺寸,对机械结构进行了初步分析与优化设计。为进一步的研究、分析、设计工作打下了基础。 关键词:外骨骼康复仿生机械结构 The Mechanical Design of Wearable Lower Extremity Exoskeleton Rehabilitation Robot Abstract:The exoskeleton robot, used for the lower extremity dysfunction in patients with rehabilitation, was designed. Based on its function and working principle, structure and composition and the key issues in design process were analyzed. And according to bionics, the degree of freedom, the range of motion and the link size were designed,the preliminary analysis and optimization design of mechanical structures were made. It is the foundation for research, the analysis, the design for the further. Key Words:Exoskeleton;Rehabilitation;Bionics;Mechanical structures
外骨骼机器人研究综述 摘要 外骨骼机器人(Exoskeleton Robot)实质上是一种可穿戴机器人，即穿戴在操作者身体外部的一种机械机构，同时又融合了传感、控制、信息耦合、移动计算等机器人技术,在为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能的基础上，还能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。本文简要介绍外骨骼机器人的研究现状以及发展趋势。 需求分析 随着社会的发展，老龄化加重，已超过人口总数的10%。老年人普遍存在体力不支，行动不便，力量、耐力不足等情况，研发一种可穿戴舒适的外骨骼机器人，助老年人行走、上下楼梯、适当负重等十分必要，同时，可穿戴式外骨骼机器人也适用于残疾人或身体机能薄弱者，这将会大大减少照顾老弱病残者的人力资源，减轻社会与家庭的压力，具有社会与经济价值。 传统的交通工具是远行与负重的主要方式，但存在对路面要求高，不适应于军事、消防营救等领域，士兵与消防人员需长距离行走、背负重物、野外作业等，这些特殊活动交通工具都没法完成，且对运动者的身体素质要求非常高。研制一种可穿戴外骨骼机构，可以提供充足的能量和耐力来增强长时间行走和负重等能力，从而完成一些特殊任务。 可穿戴式外骨骼机器人由于自身的商用与军事应用价值，已经成为近年来国内外学者的一个重点研究方向。理想外骨骼机器人有能够在操作者需要的时候及时提供帮助但永远不妨碍其行动的自动化机器人装置替代他的手足，能承受货物背负任务且与人体完全结合，准确预判佩戴者的意图，具有防护并增强操作者负重和运动能力的作用。理想外骨骼机器人的研制困难可想而知。 研究现状 早期人类为减少人员伤亡所制作的盔甲其实已经属于外骨骼的雏形，提高了士兵的个人防护能力，但其存在自重与被动阻力，极大消耗了使用者的体力。 1960年，通用电气公司研制一种名为“哈曼迪1”的可佩戴单兵装备，采用液压驱动。该公司第一个提出并开展增强人体机能的主动助力型外骨骼机器研究。其外骨骼体积巨大且笨重，安全性能低，也只能取代单只手功能。 1978年，麻省理工学院研究了“增强人体机能的外骨骼”，负重问题有所改善，其驱动能源与便携式问题尚未解决，没有完整的成果。 1991年，日本神纳川理工学院开发了一套独立的可穿助力外套（如图1所示），使用肌肉压力传感器，分析佩戴者的运动情况，通过微型气泵、便携式镍镉电池及嵌入式微处理器，提供足够的助力。该开发产品是专为护士研制，可使人的力量增加0.5~1倍。
军队发展外骨骼机器人必要性外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。他是指套在人体外面的机器人，也称“可穿戴的机器人”。人体外骨骼助力机器人起源于美国1966年的哈德曼助力机器人的设想及研发，到今天整体仍处于研发阶段，能源供给装置以及高度符合人体动作敏捷及准确程度要求的控制系统和力的传递装置都有待大力投入研发和试验尝试。他是是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼，内部配备有液压传动装置和可像关节一样弯曲的结构设计，不但能够直立行进，还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作。他把重量通过电池驱动的金属骨骼转移到地面上。先进的便携式微型计算机可以使得这种外骨骼与人的运动保持协调一致。他成倍的增加人类 的体能。 一必要性1：不堪重负的士兵 这是美军陆军的标准装备。 注意，这只是标准装备，事实上，执行具体任务时，负重远比这多。例如机枪手要携重得多的m249轻机枪，和大量的机枪弹。还有士兵要背负沉重的火箭筒，甚至野战
时携带睡袋等装备。这都是沉重的负担。许多士兵已经换上各种疾病。例如颈椎病，。极大地体力消耗和精神压力困扰绝大多数士兵。而外骨骼可以是这一切轻松解决。 他可以使士兵轻松背负七八十公斤的中午而没有疲劳之感，外骨骼承担了负重的任务。健康问题极大得到了解决。 二必要性2：超级战士
以美军HULC为例，HULC动力源为两块总重量3.6千克的锂聚合物电池。在一次充满电后，HULC可保证穿着者以4.8公里/小时的速度背负90千克重物持续行进一个小时。而穿着HULC的冲刺速度则可达到16公里/小时。士兵配备他以后，就可以负载重型防弹衣长途跋涉而不觉疲惫，而防弹衣对士兵生命尤为重要，他可给士兵全方位。有重点的防护，真正做到刀枪不入。而且士兵再也不会为永远不足的弹药发愁了。几十公斤的负重可以保证足够的弹药，甚至可以携带迫击炮等较强的火力。在遭到围攻时，极大的奔跑速度让敌人望尘莫及。这是真正的超级战士。 现在，建设高效的军队成为世界主流，这要求用尽可能少的士兵去执行更多的任务，完全使用机器人在现阶段不现实，而外骨骼正好填补了这个缺口。美国的HULC1已经接近实用化。 现在战争更多集中在反恐领域，这就使大规模战争成为历史。特种部队被更多使用。他们执行的大多是高危高风险的任务。队员素质要求高，一般从侦察部队和空降部队中挑选体格健壮、机智勇敢、文化程度高、具有献身精神和有一定作战经验的人员。执行渗透，侦查，抓获，斩首等价值极高的任务。他们抵达战区必须隐蔽，往往经过丛林等荒无人烟的地带，装备外骨骼后，他们抵达战区仍然精力旺盛，成功率提高。充足的是保持战斗力的关键。 对于炮弹装填手，意义非凡。他们可以毫不费力的举起几十公斤的炮弹，而不会得腰肌劳损。迫击炮手可以更灵活的移动。一名士兵
This article was downloaded by: [Shanghai University] On: 02 November 2013, At: 23:45 Publisher: Taylor & Francis Informa Ltd Registered in England and Wales Registered Number: 1072954 Registered office: Mortimer House, 37-41 Mortimer Street, London W1T 3JH, UK Advanced Robotics Publication details, including instructions for authors and subscription information: https://www.doczj.com/doc/e28518108.html,/loi/tadr20 Exoskeletal meal assistance system (EMAS II) for patients with progressive muscular disease Yasuhisa Hasegawa a, Saori Oura a & Junji T akahashi a a Graduate School of Systems and Information Engineering, University of T sukuba 1-1-1 T ennodai, 305-8573, T sukuba, Japan. Published online: 09 Oct 2013. PLEASE SCROLL DOWN FOR ARTICLE
气动技术与外骨骼机器人 机械电子工程吴 一、外骨骼的介绍 1.1 电影中的外骨骼 在科幻小说，以及很多的科幻题材的影视剧中，我们经常能够看到这样一种特殊的机甲：它能够穿戴在人体外表，具备辅助动力，借以提高人类的战斗力。这样的装备即被称作可穿戴机器人。 《阿凡达》中的机器人《钢铁侠》中的可穿戴式机器人 1.2 外骨骼简介 外骨骼的概念：外骨骼技术实质上可以理解为是一种可穿戴式机器人技术，为操作者提供了诸如保护，身体支撑、运动辅助等功能。 技术：传感、控制、信息、融合、移动计算。 应用：将人类的智力和机器人的“体力”结合在一起，使得外骨骼能够在操作者参与的控制模式下完成仅靠操作者或者外骨骼自身能力无法单独完成的务任。 特点：
（1）、与通常的智能系统相比，柔性外骨骼和操作者组成的人一外骨骼系统并非简单地给系统添加人工智能或者决策能力，而是借鉴人机智能系统理论，有效地将人和机器在感知、决策以及执行等多个层次上进行有机地结合， （2）、充分发挥人的智能在整个任务操作过程中的作用以及机器的执行能力。 人机智能外骨骼系统的基本控制框图 控制系统中操作者，就是人本身，也成为控制系统中的一个组成部分，即“人在回路中(Man in Loop)”。这样，将人与机械的合理结合，相比自主控制的机器人，既能够保证更强的整体性能，又极降低了技术门槛。
1.3外骨骼的应用 1、军事领域： 士兵佩戴可穿戴机器人后，将成为一名超级士兵，拥有无 穷的力量，可携载更多的武器装备，火力威力增强，防护水平 提高，同时可克服任何障碍，高速前进，不会产生疲劳感。无 论是前线作战的士兵，还是负责后勤的工兵，都能够保持高强 度、长时间的作战，同时也降低了后勤运输的压力。这样，在 不增加军队人数的情况下，可将部队战斗力翻倍，甚至更高。对 一支军队的整体作战能力而言，将是一个极大的提升。 美国五角大楼早在20世纪70年代，就经研究认为，未来士兵应当全面实现机械化和自动机器人化，并责成国防高级研究计划局负责，拨款5000万美元从事这一领域可穿戴机器人项目的研究。