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【产学研】扔掉拐杖!下肢外骨骼机器人方案

  机器人无人机  

cywen 2016-12-16

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本文中我爱方案网将给大家介绍下肢外骨骼机器人方案。

如需开发相关项目,快包可提供技术团队对接服务。


方案背景

我国行走不便患者数量呈逐年上升的趋势,其中主要包括行走不便的老人及偏瘫、截瘫病人,而目前使用的康复设备,未能满足这一巨大需求:首先,很多康复设备在使用中需要多个看护人员协作,用人力帮助病患摆动肢体,费时费力;其次,很多设备对病患使用过程中的生理状态缺乏跟踪,而病患身体情况千差万别;再次,某些复杂设备的准备时间极长,效率低,维护成本很高;最后,现有康复手段对场地和环境要求很高。20 世纪末,外骨骼机器人重新得到世界各国的关注,其中下肢康复用外骨骼机器人可以实现稳定步态,从而具备一个看护人员照看多个病人、同步记录病人生理状态、穿戴简便、省时省力以及训练可以因地制宜等多个优势。

下肢骨骼机器人在民用领域有非常广阔的市场,应用较为广泛,主要包括协助下肢瘫痪患者进行康复训练、为残障人士及老年人的日常生活提供辅助功能等。随着全球人口老龄化问题的日益严重,以及发达国家劳动力的缺失,欧美、日本等国,尤其是日本,对各种辅助机器人的研究表现出极大的兴趣。

美国Berkeley Bionics以HULC外骨骼模型为基础,开发了eLegs (Ekso)外骨骼系统,于2011年应用于部分康复中心,可能在2013年上市销售。

以色列埃尔格医学技术公司机械长裤ReWalk的研发主要是希望瘫痪病人能够摆脱轮椅,像正常人一样行走。这套装置已于2011年开始在世界范围内发售。

日本筑波大学开发的HAL系列下肢运动辅助外骨骼,是目前研究较为成熟的下肢柔性外骨骼系统。该系统能探查到大脑传出的微弱的肌肉信号,进而控制肌肉运动可以预见,在老龄化现象日趋严重的今天,这种助力机器人将拥有非常广阔的市场空间。基于这种需求,中科院集成所团队开发了这款下肢外骨骼机器人方案。

方案构架:本体+控制部分+传感



该项目的研究目标是研制能够辅助老人以及体弱者正常行走的穿戴式下肢外骨骼机器人样机,并且通过与医疗结构合作将其应用于下肢残障人士的康复工程。它主要分为机器人本体和控制部分,传感部分三大部分。

A.机器人本体:




如上图所示,下肢助行外骨骼机器人由2大部分组成,主体结构和辅助设备。主体结构为“穿戴”在人体身上的外骨骼机械结构。主体结构有6个关节,共具有10个自由度,其中膝关节和髋关节的前后运动是主动运动,由电机驱动,脚踝关节和髋关节的左右运动为被动运动。背部固定有控制装置以及电源系统。机器人整体结构紧凑轻巧,结构设计合理。

B.控制系统:
本项目的目标下肢外骨骼机器人将具备安全可靠的行走步态控制技术。首先通过放置于足底的压力传感器以及髋、膝关节的角加速度传感器,对机器人的步态稳态、动态进行精确的判断,然后通过额外的压力传感器,获取机器人与人体的相对状态,由于机器人与人体相当于两个相连的独立转动系统,我们需要采用阻抗控制来强化机器人对人体关节运动的增益作用,同时遏制机器人对人体关节运动的阻碍作用,最后,通过路径控制器实现机器人的轨迹跟踪,从而建立完整的闭环控制结构。

C.传感系统:
1.人体足底与外骨骼鞋底之间的压变电阻式压力传感器;
2.小腿与外骨骼之间的高灵敏度压力传感器;
3.膝关节角加速度传感器;
4.髋关节角加速度传感器。

方案功能


在下肢外骨骼机器人上实现以下主要功能:

(a)通过对人体下肢运动特征的采集和分析,该机器人可以模拟人体的完整步态;
(b)通过控制机器人关节处的伺服电机,结合符合人体工学的设计,实现对老人以及体弱者行走助力;
(c)通过与医疗结构的合作,充分考虑医护人员与病患的需要,可以应用于下肢残障人士的康复训练;
(d)在主体架构、控制算法等软硬件设计层面加入多重安全防护功能,建立包括危险预防和危险应急处理的综合安全保护策略;
(e)通过智能拐杖等外部辅助设备,提高穿戴者的使用体验,并提供一个可扩展的平台,针对老人、体弱者及残障人士集成跌倒检测、危险报警、智能遥控等实用功能。

关于快包与“产学研”

产学研即产业、学校、科研机构等相互配合,发挥各自优势,形成强大的研究、开发、生产一体化的先进系统并在运行过程中体现出综合优势。 产学研合作是指企业、科研院所和高等学校之间的合作,通常指以企业为技术需求方,与以科研院所或高等学校为技术供给方之间的合作,其实质是促进技术创新所需各种生产要素的有效组合。

快包一直致力推动智能产业的发展,通过构建外包平台的形式促进智能产品方案供需双方的合作。如今快包携手“产学研”旨在让科研走进市场。为此快包整理了一系列来自研究机构以及高校的科研团队资料,推出大型产学研系列专题文章。通过展示他们的项目案例促进智能产业界对他们更深层次的了解。这些团队能够提供攻坚技术和前沿核心技术,精准解决一些较大企业的技术实现难题。


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