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穿戴式柔性下肢助力机器人发展现状及关键技术分析

已有 170 次阅读 2020-6-2 09:37 |系统分类:博客资讯

穿戴式柔性下肢助力机器人采用轻质、柔性材料作为辅助力/矩的传递单元,可长时间穿戴,可以对人体下肢进行单关节或多关节协同助力。可在一定程度上解决和避免助力外骨骼存在的人机关节难以对齐、附加质量大、步态不一致等问题。具有质量轻、人机相容性好、人机约束强度弱、个体体征差异适应性强、结构柔顺、人机穿戴舒适性好等优势。


柔性助力机器人可在一定程度上解决和避免助力外骨骼存在的人机关节难以对齐、附加质量大、步态不一致等问题。与外骨骼式助力机器人相比,柔性助力机器人从人因工程学角度出发,采用柔性材料 (布带、气动肌肉等),穿戴及包覆在下肢周围,人体骨骼作为支撑构件,可实现与下肢生物力学更好的人机相容性和穿戴舒适性,在助力装置本体中,不存在刚性连杆和机械关节,不需人机关节轴线精确对齐,对人体关节自由度影响较小,穿戴者可在紧急情况下执行避险动作,避免了因人机运动学不相容导致的与助力无关的附加力/矩,且能够最大限度的减小助力装置自身的质量、体积等引起的附加机械阻抗和自由度限制。柔性助力机器人在助力应用中与助力外骨骼相比,具有质量轻、人机相容性好、人机约束强度弱、个体体征差异适应性强、结构柔顺、人机穿戴舒适性好等关键优势。


穿戴式柔性下肢助力机器人采用轻质、柔性材料作为辅助力/矩的传递单元,可长时间穿戴,可以对人体下肢进行单关节或多关节协同助力。用于健康人群尤其是士兵的远距离负重行走、连续搬运等领域,降低人体软组织(肌肉、肌腱、韧带等)的承受载荷,提高人体运动能力,进而减少人体的代谢消耗和延缓身体疲劳。对于运动功能障碍患者及中风患者等,可提供适量的外部辅助作用力,改善患者行走步态,提高行走效率。


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图1 Soft exosuit  


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图2 Myosuit


根据人体下肢的待助力关节数量,将柔性下肢助力机器人分为单关节助力型和多关节协同助力型两类。国内外学者研制了多种相关样机和产品,以增下肢的肌肉力量、降低代谢消耗、延缓疲劳,如哈佛大学的Soft exosuit(图1)、苏黎世联邦理工学院的Myosuit (图2)、日本松下电器公司研究所的Cross-wire assist suit (图3)、延边大学的Soft wearable robotic suit(图4)等。


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图3 Cross-wire assist suit 


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图4 Soft wearable robotic suit


本文总结了国内外在该领域的研究进展,阐述了多种助力系统的组成、驱动原理和运动学信息等,分析了各助力系统的辅助力/矩传递规律及其助力效果。同时,对柔性下肢助力机器人所涉及的安全与可靠性、步态检测技术、驱动方式及控制策略、助力性能评估等关键技术进行了分析。在总结研究成果及分析关键技术的基础上,指出了柔性下肢助力机器人今后的发展方向、研究思路和面临的挑战。


引用格式:李剑锋, 李国通, 张雷雨, 杨东升, 王海东. 穿戴式柔性下肢助力机器人发展现状及关键技术分析. 自动化学报, 2020, 46(3): 427-438.


链接:http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c180286



作者简介:


李剑锋 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院教授. 1999 年获北京航空航天大学机器人所博士学位. 主要研究方向为机器人, 并联机构与穿戴外骨骼技术. 

E-mail: lijianfeng@bjut.edu.cn


李国通 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院博士研究生. 2016 年获得北京联合大学机电学院学士学位. 主要研究方向为穿戴外骨骼技术与外固定技术. 

E-mail: enter1026@163.com


张雷雨 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院讲师. 2016 年获北京航空航天大学机器人所博士学位. 主要研究方向为机器人, 并联机构与穿戴外骨骼技术. 本文通信作者. 

E-mail: zhangleiyu1988@126.com


杨东升 北京航空航天大学机器人研究所博士研究生. 主要研究方向为移动机器人, 环境感知和运动控制. 

E-mail: ydsf16@buaa.edu.cn


王海东 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院硕士研究生. 2017 年获得内蒙古大学交通学院学士学位. 主要研究方向为穿戴外骨骼技术. 

E-mail: whd@emails.bjut.edu.cn




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