柔性下肢外骨骼机器人研究进展及关键技术分析

首先简要描述了下肢外骨骼机器人在康复、工业以及军事等领域的应用需求,并对刚性与柔性下肢外骨骼系统（RLEEX/SLEEX）的优缺点、研究难点和适用人群进行了分析与对比．然后,对国内外研究机构在柔性下肢外骨骼机器人方面的研究历程与进展进行详细综述,重点描述了系统样机的结构与驱动特点、传感器布局方式、控制策略搭建以及助力效能评估等几项研究内容．最后,围绕柔性结构、意图识别、控制策略及助力评估共四方面关键技术进行了总结,并对未来发展趋势进行展望．     

基于Opensim的柔性外骨骼机器人的模拟仿真

现有的刚性外骨骼存在关节中心与人体下肢的生物关节中心较难对齐、限制人体运动的自由度和影响穿着舒适度等问题.针对上述问题,设计了一种由电机驱动的助力髋关节屈曲和伸展的柔性外骨骼机器人.基于该柔性外骨骼,利用三维动作捕捉系统和测力平台采集受试者在行走过程中的运动学和地面反作用力数据,运用生物力学分析软件Opensim建立人体-外骨骼模型;利用Opensim分别模拟计算出在行走时助力和不助力两种情况下驱动髋关节的主要肌肉的代谢值.模拟仿真结果表明:和不助力的情况相比,在行走过程中对髋关节助力会减小驱动髋关节运动的主要肌肉的代谢值,减小穿戴者肌肉的负担;在行走过程中减小穿戴者的能量消耗.     

基于时间序列分析的可穿戴助力机器人传感器信号预测的研究

下肢可穿戴助力机器人是一种自主控制的机器人.它要求各个关节的电机根据感知系统获取的力信息和位置信息做出快速反应.为了提高下肢可穿戴助力机器人的动态响应频率,本文提出了一种新颖的基于时间序列分析的感知系统信号在线预测算法,该算法在保证系统实时性的前提下,提高了感知系统的动态响应频率.在文章的最后,对信号预测算法进行了相应的实验,实验结果表明了该算法的准确性和有效性.     

下肢外骨骼研究进展及关节运动学解算综述

随着传感融合、移动计算、智能驱动等技术的发展以及研究者对人体运动中下肢重要生物力学功能认知的逐步深化,下肢外骨骼机器人作为一种与下肢并联,能为穿戴者行走助力的可穿戴智能设备愈发受到世界各研究机构的重视。本文根据下肢外骨骼的用途和结构详细综述了近年下肢外骨骼的研究进展,并借此对下肢外骨骼的未来发展进行展望。并针对下肢外骨骼在实时运动学检测与控制上对小型传感器的迫切需求,提出一种能够用于控制下肢外骨骼的基于惯性测量单元的人体下肢关节运动学测量与解算技术,在基于惯性测量的单自由度关节角度结算上得到较好结果。     

下肢康复机器人的研究进展与临床应用

社会老龄化进程中,由于疾病或事故导致下肢受损的患者越来越多,患者的运动能力康复变得尤为重要.相对于传统的物理康复治疗方法,利用下肢康复机器人进行运功功能康复训练可以准确评估、大幅改善康复效果,提高康复效率,节约医疗康复资源.作为一种涉及康复医学、机械学、控制学、机器人学、计算机学及人工智能等诸多学科的智能仿生机电设备,下肢康复机器人按照患者的康复作业姿态主要分为坐卧式下肢康复机器人和站立式下肢康复机器人.其中坐卧式下肢康复机器人可以分为脚踏板式和外骨骼式机器人,站立式下肢康复机器人分为悬挂减重式和独立可穿戴式机器人.本文调研了国际上应用较为广泛的几类下肢康复机器人的代表性产品,详细分析了下肢康复机器人的主被动自由度、驱动方式、传动关节、感知技术、运动控制策略和训练模式等关键技术,并对各类机器人典型临床测试案例进行了比较和探讨,对下肢康复机器人未来的技术发展做出展望.     

轻量型柔性下肢助力外骨骼的设计及性能实验

针对传统的外骨骼机器人存在的刚性结构、自重大、柔顺性差、穿戴舒适性差等问题,设计了一种轻量型柔性下肢助力外骨骼.该外骨骼通过鲍登绳装置和弹簧装置实现对踝关节的柔性助力,利用驱动系统的"单轮双槽"绕线盘实现单个电机对双腿的驱动,其稳定性通过有限元分析得以验证.在外骨骼的控制策略上,本文在电机系统的传统三环PID(比例-积分-微分)反馈控制的基础上,提出了基于电机转角和转速的PID控制策略和基于踝关节力矩的PID控制策略,通过Simulink和Simscape工具仿真验证了控制策略的可行性.最后,搭建了一台外骨骼样机并进行了性能实验,样机质量仅为3.095 kg,在本文设置的实验条件下,穿戴该外骨骼行走时人体代谢降低了15％,验证了该外骨骼设计的合理性,也表明该外骨骼相比传统外骨骼具有更好的助力效果.     

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人研究进展

对于脊髓损伤、脑损伤等因素导致下肢运动障碍的患者,利用下肢外骨骼康复机器人可在患者损伤早期进行精准康复,并在康复过程中优化康复策略。本文详细对比了下肢外骨骼康复机器人相比于传统康复方法的优势,并结合国内外研究现状阐述了不同外骨骼机器人的设备特点及应用场景,详细分析了机器人的驱动方式、控制系统以及训练模式等关键技术。最后,着重探讨了下肢外骨骼康复机器人未来发展所面对的挑战,并针对机械结构优化、驱动算法优化、康复流程智能化、基于虚拟现实技术的应用场景优化及康复效果评估等5方面提出了可行的探讨,对下肢外骨骼康复机器人未来的技术发展趋势作出可行分析。     

士兵可穿戴下肢外骨骼机器人多元感知方法研究

下肢外骨骼机器人是一种可穿戴且融合了多种机器人技术的复杂人-机系统。它将人类的智慧与机器人强壮的能力有效地结合起来,最大限度地提高人体的机动力和耐力,这为提升单兵作战系统的能力创造了条件。鉴于下肢外骨骼机器人在作战、后勤保障时可能遇到的复杂地形、多变随机的任务等,仅通过基于既定的典型步态规划程序驱动执行已知的特定动作,难以保证人机间的耦合性和动作的高随意性切换。为此,模拟并提炼出士兵常见的六种下肢动作作为后续研究,然后分析了下肢外骨骼机器人的感知控制原理,并提出了基于脑电预判感知、肌电精确感知和光纤实时校正的多信息融合的感知方法,强调将人的智能参与到机器人控制中,以期推进士兵可穿戴下肢外骨骼机器人的实用化。     

一种柔性双足压力检测装置与步态分析系统设计研究

为了获取人机交互中的人体下肢运动信息,针对目前可穿戴助力机器人中感知系统可靠性差,信息特征模糊等缺点,在分析了机器人控制系统所需的交互信息的基础上,设计了一种适用于助力机器人的柔性双足压力信息采集与处理系统。该系统由前端的信息采集装置与终端的信号处理单元两部分组成,可以实时测量使用者行走过程中足底压力分布信息。相关实验结果表明,所设计的系统性能稳定,响应迅速,测得的数据信息特征明显,重复性好,能够较好的划分人体行走过程中的步态相位,为实现可穿戴助力机器人控制提供了保障。     

深圳先进院研发出康复用外骨骼机

日前,中国科学院深圳先进技术研究院研发出一款可穿戴式下肢康复用外骨骼机器人,成功实现截瘫病人穿戴机器人后站立行走,向产业化应用迈出关键一步。 该款机器人采用小型化的动力系统及欠驱动机械结构,运用安全可靠的柔性控制来实现外骨骼机器人稳定的步态。     

Review of Research and Development of Supernumerary Robotic Limbs

Supernumerary robotic limbs(SRLs) are a new type of wearable human auxiliary equipment, which is currently a hot research topic in the world. SRLs have broad applications in many fields, and will provide a reference and technical support for the realization of human-robot collaboration and integration,while playing an important role in improving social security and public services. In this paper, representative SRLs are summarized from the aspects of related literature analysis,research status, ontology structure design, control and driving,sensing and perception, and application fields. This paper also analyzes and summarizes the current technical challenges faced by SRLs, and reviews development progress and key technologies,thus giving a prospect of future technical development trends.     

Cross-industry standard test method developments: from manufacturing to wearable robots

Manufacturing robotics is moving towards human-robot collaboration with light duty robots being used side by side with workers. Similarly, exoskeletons that are both passive (spring and counterbalance forces) and active (motor forces) are worn by humans and used to move body parts. Exoskeletons are also called ‘wearable robots’ when they are actively controlled using a computer and integrated sensing. Safety standards now allow, through risk assessment, both manufacturing and wearable robots to be used. However, performance standards for both systems are still lacking. Ongoing research to develop standard test methods to assess the performance of manufacturing robots and emergency response robots can inspire similar test methods for exoskeletons. This paper describes recent research on performance standards for manufacturing robots as well as search and rescue robots. It also discusses how the performance of wearable robots could benefit from using the same test methods.     

康复辅助机器人及其物理人机交互方法

面对中国社会快速老龄化现状和庞大的残疾人群,康复辅助机器人研究具有重要学术价值和广阔的应用前景.康复辅助机器人研究涉及神经科学、生物力学、机器人自动控制等领域知识,是机器人最具挑战性和最受关注的研究领域之一.与其他机器人不同,康复辅助机器人的作用对象是人,存在人与机器人的信息交流和能量交换,物理人机交互控制方法是其研究核心和关键技术.本文以神经康复机器人、穿戴式外骨骼、智能假肢等应用为例,介绍当前的研究现状,并重点介绍人体运动意图识别方法和交互控制方法等研究重点和难点.最后展望该领域的未来技术发展方向.     

基于单目视觉的道路图像理解综述

基于视觉的道路图像提供了车辆运行局部环境的丰富的信息,对这些序列图像的分析理解在车辆辅助驾驶、自动导引车、室外移动机器人等多领域得到了广泛的应用。详细介绍了道路检测系统以及道路偏离预警等系统中对道路图像进行处理、分析、理解的各种方法,阐述了道路识别与跟踪的技术和方法,并进行了比较。最后给出了该领域今后的研究方向和发展趋势。     

导盲机器人研究现状综述

盲人是人类社会中的弱势群体,且呈逐年增加的趋势。为盲人提供安全可靠、智能高效的出行保障,是社会进步的重要标志。分类介绍了国内外智能导盲杖、穿戴式导盲设备、手持式导盲仪、基于智能终端的导盲系统、移动式导盲机器人的研究成果。总结了导盲机器人环境感知、定位与导航、人机交互共性关键技术的研究现状。结合最新的云平台和移动通讯等技术展望了导盲机器人的未来发展趋势。     

康复机器人与智能辅助系统的研究进展

我国正面临日益严重的老龄化问题和数量庞大的残疾人群,康复机器人与智能辅助系统的研究开发和应用有望为解决养老、失能辅助和康复问题提供部分技术手段.康复机器人与智能辅助系统涉及医学、信息、机械、电子、材料、力学等多个学科领域,其研究与开发也面临诸多挑战和困难,本文从“康复机器人及多种康复训练模式”、“智能辅助系统与生机电技术”、“康复与辅助相关的多模态传感与控制方法”、“外骨骼和可穿戴系统、智能假肢与人机安全性”等方面介绍和讨论康复机器人和智能辅助系统的问题和研究进展,以期为未来康复机器人和智能辅助系统的研究与开发提供些许借鉴.     

协作机器人及其运动规划方法研究综述

协作机器人是一种新型工业机器人,利用物联网感知等新兴技术进行智能人机交互,实现与人类近距离协同工作以提高生产效率。因此,协作机器人近年来备受关注,成为了机器人领域最热门的研究方向之一。介绍了协作机器人的基本情况,包括主要产品、机器人本体设计以及应用案例;介绍了常见的人机协作方法,重点围绕人机协作中的高效、简单、安全三个特点,分别对协作机器人编程、安全协作方法、高效协作方法三个方面的研究成果展开讨论;总结了常见的机器人运动规划方法,分成路径规划方法和轨迹规划方法两部分介绍,并分析了各类方法的优缺点;最后,对目前协作机器人研究的发展方向进行了展望。     

Soft robot review

Soft robots are often inspired from biological systems which consist of soft materials or are actuated by electrically activated materials. There are several advantages of soft robots compared to the conventional robots; safe human-machine interaction, adaptability to wearable devices, simple gripping system, and so on. Due to the unique features and advantages, soft robots have a considerable range of applications. This article reviews state-of-the-art researches on soft robots and application areas. Actuation systems for soft robots can be categorized and analyzed into three types: variable length tendon, fluidic actuation, and electro-active polymer (EAP). The deformable property of soft robots restricts the use of many conventional rigid sensors such as encoders, strain gauges, or inertial measurement units. Thus, contactless approaches for sensing and/or sensors with low modulus are preferable for soft robots. Sensors include low modulus (< 1 MPa) elastomers with liquid-phase material filled channels and are appropriate for proprioception which is determined by the degree of curvature. In control perspective, novel control idea should be developed because the conventional control techniques may be inadequate to handle soft robots. Several innovative techniques and diverse materials & fabrication methods are described in this review article. In addition, a wide range of soft robots are characterized and analyzed based on the following sub-categories; actuation, sensing, structure, control and electronics, materials, fabrication and system, and applications.