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1、下肢外骨骼机构的研究与仿真Agenda 国内外研究现状 人体行走机理分析 下肢外骨骼的建模与仿真 参考文献国内外研究现状Hardyman，该系统由通用电气(General Electric)研发，用于增强士兵的持重及负重 能力，操作者操纵内侧的外骨骼，由液压驱 动的外侧外骨骼对人提供助力，但是它的最 大的缺点就是笨重、不稳定且不安全。重 1500磅,30个自由度.1960年图片来自 http:/www.frc.ri.cmu.edu/hpm/project.archi ve/Image.Archive/other.robots/Hardyman.jpg国内外研究现状由前苏联圣彼得堡的研究者开发，
2、重87千克 。1970年国内外研究现状由前南斯拉夫的Vukobratovic开发，用于截 瘫病人的行走恢复治疗，该系统由气缸驱动 .1971年国内外研究现状由日本筑波大学的山海嘉之教授所领导的 Cybernics Lab开发的HAL(Hybrid Assistive Limb)系列下肢外骨骼用于协助步态紊乱的 病人 行走。HAL-3是套下肢装，专门设计来帮助 下肢残障者或是老人们，能方便地进行日常 生活中的许多动作，像是走路、上下楼梯等 等。它采用了角度传感器、肌电信号传感器 和地面接触力传感器等传感设备来获得外骨 骼和操作者的状态信息。它的所有的电机驱 动器、测量系统、计算机和无线局域网络，
3、 以及动力供应设备都整合到背包中。使用装 在腰间的电池进行供电。HAL拥有混合控制 系统，包括自动控制器进行诸如身体姿态的 控制，以及基于生物学反馈和预测前馈的舒 适助力控制器。重22公斤国内外研究现状HAL-5，在2005年日本爱知世博会上展出,不 但能帮助使用者走路，还有上半部能辅助使 用者的手臂，使用者穿戴上这种装置，就能 提起比原本所能负荷还要更重40公斤的东西 。重15公斤,售价14000美元-19000美元图片来自 http:/sanlab.kz.tsukuba.ac.jp/english/img/r_h al.png国内外研究现状加州大学伯克利分校的人体工程实验室在 2004年推
4、出的BLEEX(BkereleyLowerExert而 tyExoskeleton)外骨骼系统.由两条动力驱动 的仿生金属腿、一个动力供应单元和一个用 于负重的背包架组成。该系统使用混合动力 ，即使用液压能驱动双腿行走，同时对随身 携带的计算机供应电能。图片来自 http:/64.202.120.86/upload/image/articles/2 007/engine-on-a-chip/bleex-exoskeleton.jpg国内外研究现状外骨骼上共安装有40多个传感器和液压驱动 器，它们共同构成了一个局域网络，该网络 向计算机提供必要的信息，计算机根据这些 信息了解操作者当前的状态，并
5、据此对人的 负载情况实时进行必要的调整。操作者身着 重达100磅的外骨骼，同时背上70磅的背包 在房间里行走，他所感觉到的重量只有5磅 。图片来自bleex.me.berkeley.edu/CV/Ryan/R1- BLEEX.jpg国内外研究现状新加坡南洋理工大学的罗锦发教授(Low Kin- Huat)研发的Lower Extremity Exoskeleton.该 系统主要由两个部分所组成:内侧外骨骼和 外侧外骨骼.国内外研究现状内侧的外骨骼绑缚在人的下肢上，利用关节 处的编码器来测量行走时的关节角度信号; 外侧的外骨骼用来提供助力，根据内侧外骨 骼测得的关节角度值通过电机来提供动力。 他
6、们的另外一个主要工作在该原型系统上利 用零力矩点(ZMP)理论进行了外骨骼行走稳 定性方面的研究。国内外研究现状日本神奈川(Kanagawa)工科大学Yamamoto教 授研发的的Wearable Power Assit Suit.外套选 用了微型气泵、便携式镍锡电池和嵌入式微 处理器使系统的动力提供和控制系统极其小 型化。整个装置的金属结构由硬铝合金加工 而成，重约30公斤。图片来自www.we.kanagawa-it.ac.jp国内外研究现状肘部、腰部和膝部的关 节驱动采用新式的可直 接驱动的旋转位移式气 动驱动器，肌肉力量信 号的采集采用布置于上 臂、大腿和腰部的肌肉 硬度传感器测得。微
7、处 理器在收到传感器的输 出信号之后，计算出保 持某个姿势的所需的关 节力矩，然后输出控制 信号给PWM驱动电路， 以驱动旋转气缸的动作 。图片来自http:/www.we.kanagawa-it.ac.jp/yamamoto_lab/pas/index.htm国内外研究现状 瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)在汉诺威2001年世界工业展览会上展出的名 为LOKOMAT的康复机器人模型。图片来自 http:/ /lokomat_2.jpg图片来自 http:/ es/lokomat_1.jpg国内外研究现状德国弗朗霍费尔研究所(FRANHOFER INSTITUT IPK)研制的绳驱动式康 复机
8、器人.国内外研究现状清华大学研制的卧式下肢康复训练机器人样机国内外研究现状浙江大学杨灿军教授设计的可穿戴式的下肢 步行外骨骼机构.采用了三个旋转运动副， 并分别将其布置在外骨骼上人体下肢三个关 节的相应位置，用来模拟三个关节的转动， 旋转副采用销轴方式来具体实现。 另外，为了提高外骨骼的运动灵活性以及方 便行进过程中的转向，在髓关节处还布置了 额外的旋转副.国内外研究现状浙江大学杨灿军教授设计的可穿戴式的下肢 步行外骨骼机构.采用了三个旋转运动副， 并分别将其布置在外骨骼上人体下肢三个关 节的相应位置，用来模拟三个关节的转动， 旋转副采用销轴方式来具体实现。 另外，为了提高外骨骼的运动灵活性以
9、及方 便行进过程中的转向，在髓关节处还布置了 额外的旋转副.国内外研究现状人体下肢运动机理人体的基本平面和基本轴人体下肢运动机理人体下肢各部位的基本运动人体下肢运动机理人体下肢骨骼结构图人体下肢运动机理髋关节和产生髓关节屈伸运动的主要屈肌和伸肌人体下肢运动机理膝关节人体下肢运动机理产生膝关节屈伸运动的主要屈肌和伸肌人体下肢运动机理踝关节人体下肢运动机理人体步态周期内的下肢各关节角度变化人体下肢运动机理人体下肢运动机理人体行走时的下肢肌肉活动参考文献 夏昊昕. 下肢康复训练机器人的研究D. 哈尔滨 工程大学 , 2003 王小龙.基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统的 研究D. 河北工业大学, 2003 王辉. 智能假肢的控制机理及控制系统研究D 河北工业大学 , 2005 . 牛彬. 可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研 究与实现D. 浙江大学 , 2006 赵彦峻. 人体下肢外骨骼工作机理研究D. 南京 理工大学, 2006
