基本信息
- 項目名稱：
- 空氣驅動的下肢機械外骨骼
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 利用附著在人體上的機械來輔助體弱者及中老年人運動的。利用高壓氣瓶內的壓縮空氣驅動機械外骨骼和用采集人體表面肌電信號（SEMG）的方式控制機械外骨骼的運動。創(chuàng)新之一是使用了更先進的空氣驅動部件——氣動肌腱和直接使用可重復使用的高壓氣瓶。能源利用率高，可以獲得更經濟的使用時間。同時我們對機械外骨骼的一個關鍵結構作出了比較重大的創(chuàng)新，較同類機械外骨上的結構可以更好的支持穿戴者的運動。
- 詳細介紹：
- 一、設計目的和設計目標 世界人口正在加速老化。生育率在下降，而人的壽命在延長。從現(xiàn)在起到2050年之間，60歲以上的人口將從大約6億增至20億。而我國老齡化速度更快，據聯(lián)合國預測，1990-2020年世界老齡人口平均年增速度為2.5%，同期我國老齡人口的遞增速度為3.3%，世界老齡人口占總人口的比重從1995年的6.6%上升至2020年9.3%，同期我國由6.1%上升至11.5%，無論從增長速度和比重都超過了世界老齡化的速度和比重，到2020年我國65歲以上老齡人口將達1.67億人，約占全世界老齡人口6.98億人的24%，全世界四個人中就有一個是中國老年人。 老齡化社會的兩個嚴重問題就是勞動力的匱乏和越來越多的老年人需要年輕人來照顧。如今，我國第一代獨生子女的父母已經開始步入老年。與自己多兒多女的父母不同，唯一的子女將承擔贍養(yǎng)他們的重任。未來，更多的家庭將出現(xiàn)4個老年人、1對夫婦和1個孩子的“四二一”結構。這樣在生活中就經常會遇到“人手不足”的尷尬。我們急需要使用一些新型的助力機器來解決這些問題。機械外骨骼，也許就是一種解決途徑。老人們穿上它可以提高自理能力；年輕人穿上它可以幫助更多的老人們。 電影《鋼鐵俠》中的男主角在穿上他的鋼鐵戰(zhàn)衣后立刻從普通人變身為超人，那是因為他的機械外骨骼擁有神奇強大的能源——以金屬鈀為原料的微型核電裝置。當然電影中的這種能源裝置這在目前的科技水平下還是相當科幻的。因此我們必須在設計機械外骨時格外考慮它的能源利用效率，來達到節(jié)能的目的，使它在現(xiàn)有的儲能技術條件下工作更長時間。同時我們也希望這件機械外套能盡可能的簡單和輕便一些。 我們到底該選擇一種怎樣的能源和驅動裝置來實現(xiàn)“簡單”和“輕便”呢。就目前來看，在可以獨立運行的機械外骨上無外乎都是以電池做為能量來源，利用電動機直接驅動或者使用壓縮機轉化為氣壓或者液壓驅動；從機械外骨的控制方式選取上，大家都一致使用了表面肌電信號（SEMG，是淺層肌肉肌電信號和神經干上電活動在皮膚表面的綜合效應）作為控制信號源。 電動機？使用電動機控制機械外骨是相當復雜的，況且這種機械外骨在實際使用中對電機和控制系統(tǒng)的要求都很高。由日本筑波大學山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）教授開發(fā)的HAL*就是使用這類驅動控制方式的機械外骨。 液壓？在看過洛克希德?馬丁公司推出的一款已經用于實戰(zhàn)的機械外骨——人類負重外骨骼（簡稱HULC）*的相關宣傳資料后發(fā)現(xiàn)，即使讓我們仿制這套系統(tǒng)也很不現(xiàn)實，它涉及到的前沿科技太多了。 氣壓？是的，在我們仔細分析后發(fā)現(xiàn)，我們可以利用氣壓驅動來實現(xiàn)我們要求的“簡單”和“輕便”。 因此我們的設計目標是盡可能的讓我們設計出的機械外骨骼更簡單和更輕便。 *在《機械外骨骼發(fā)展史》中，我們會詳細介紹這些已經存在的機械外骨骼。 二、工作原理 在確定了我們將使用氣壓驅動方式來實現(xiàn)助力后，我們開始討論該如何利用選擇的方式來實現(xiàn)設計目標。最終討論結果是我們提出了利用小型耐高壓容器儲存足夠多的壓縮空氣作為機械外骨動力源的方案，這樣可以解決以往利用空壓機時效率不高產生的能源浪費。從而可以讓我們攜帶更輕便的電池，使我們設計的機械外骨更輕巧。我們的能源利用效率越高就表明在做同樣功的情況下所攜帶能源越少，設備越輕便?？諝怛寗硬考覀冞x用了Festo的DMSP型氣動肌腱*?！ ? 同一位置測定肌肉收縮和舒展時SEMG波形，可以看出肌肉收縮和舒展時SEMG波形幅值變化明顯，從相關資料可以知道肌肉收縮強弱正比于SEMG幅值大小。因此我們可以利用采集到的SEMG控制氣動肌腱內部的氣壓來實現(xiàn)對力量的控制。 我們確定了一個控制方案： １、已知SEMG的v（幅值）可以對應設計計算出一個驅動氣動肌腱的氣壓p； ２、當探測到一個SEMG的v’，就知道需要一個驅動氣動肌腱的氣壓p’； ３、通過控制電磁閥，在測壓探頭的實時監(jiān)測下使氣壓達到p’。這種控制的優(yōu)點是：可以通過調節(jié)對肌電信號觸發(fā)幅值的臨界值*，達到預知肌肉動作的目的，并提前于肌肉開始 運動，由于有機械和電路的延時現(xiàn)象，最終可以達到機器與人同時運動的效果。此外，通過調整“已知SEMG的v（幅值）可以對應設計計算出一個驅動氣動肌腱的氣壓p”可以方便的改變力量輸出比例。 ４、我們不需要在所助力的關節(jié)上安裝角度傳感器，因為這套助力系統(tǒng)僅僅是助力。關節(jié)彎曲在任意角度時只是有不同力的輸出，角度的感知完全取決于我們自身的反射弧。 *氣動肌腱的工作模式是一種拉伸執(zhí)行機構，模仿肌腱運動。由收縮系統(tǒng)和相應的連接件組成。收縮系統(tǒng)是由壓力密封橡膠軟管組成，外面包有一層高強度纖維。纖維為三維網狀結構，菱形編織。內部有壓力時，軟管就會向外膨脹，就會在肌腱的縱向產生拉伸力和收縮運動。拉伸力與行程形成函數關系，可用拉伸力在開始收縮時達到最大值，隨后直線下降。氣動肌腱的優(yōu)點是初始力和加速度高。初始力最高可到相同缸徑傳統(tǒng)氣缸的10倍。高動態(tài)響應，即使在高負載下,依舊保持高動態(tài)響應；工作時無抖動。無移動機械部件相互接觸，超慢速移動時完全沒有抖動；定位簡單。使用最簡單的技術通過壓力控制，無需位移編碼器；氣密封結構。隔離工作介質和大氣，適合用于粉塵和臟污環(huán)境，結果堅固，零泄漏。其缺點在于收縮率比較小最大值可到30%。 *在輸入產生相同膜電流的條件下，依歐姆定律（電流＝電壓／電阻或電壓＝電流／電阻），膜電阻較大的小運動神經元電壓相對較高，首先達到動作電位法制而興奮。大運動神經元的膜電阻相對較小，只有傳入沖動（電流）較強時才可以達到興奮閥值。 三、主要機構的選擇原則與最終選擇方案 在我們所設計的下肢機械外骨骼的關節(jié)中，髖關節(jié)和膝關節(jié)的設計難度是最高的。 從人體的解剖示意圖上我們可以看出，人體的髖關節(jié)就是一個球面副，其屬于空間運動副，擁有３個自由度和很廣的運動范圍。并且這個球面副被人體組織深深包裹其中，我們需要想辦法讓機械外骨骼的髖關節(jié)擁有和人體髖關節(jié)一樣的自由度和運動范圍。 首先我們規(guī)定大腿前后擺動是繞著ｘ軸運動，大腿左右擺動是繞著ｙ軸運動，大腿內旋和外旋是繞著ｚ軸運動。我們看出繞ｘ軸和繞ｙ軸的轉動副可以在人體以外，但繞ｚ軸運動的轉動副卻只能在人體內，這當然是不允許的。先劈開ｚ軸需要的轉動副不管，只分析如何可以實現(xiàn)ｘ軸和ｙ軸的運動，我們發(fā)現(xiàn)這其實就是一個萬向節(jié)。最后再考慮ｚ軸的運動，我們創(chuàng)造性的使用了一個合頁結構就完美的解決了問題。在目前所掌握的資料中我們是首個將此結構用于機械外骨骼中的設計團隊。 膝關節(jié)看似是一個簡單的轉動副，屬于平面運動副，僅有一個自由度。按常理設計一個機構實現(xiàn)轉動是一件很容易的事情，但在這里卻變成了一件相當麻煩的事。 膝關節(jié)是這次我們所設計的下肢機械外骨骼中唯一需要助力的一組關節(jié)，利用氣動肌腱工作。麻煩就出在氣動肌腱上。氣動肌腱有他自身的特點，在內部氣壓恒定時，隨著氣動肌腱工作行程的增加，它所能提供的驅動力呈線性下滑，就如同一根彈簧。 ▲氣動肌腱的工作性質 氣動肌腱的收縮率最大不超過供貨長度的３０％。通過ｆｅｓｔｏ提供的氣動肌腱選型軟件我們可以很清楚的確定氣動肌腱的數學模型。 在Autodesk（歐特克）開發(fā)的Inventor三維CAD/CAE軟件中，我們引用氣動肌腱的數學模型，在不同的機構中試驗得出測試結論并進行比較。我們對單個膝關節(jié)的運動參數要求是，運動范圍145°，在氣動肌腱的驅動下能負載至少350N重物從完全蹲下到完全站立。因為是模擬膝關節(jié)的運動我們在測試中用到的幾種多桿機構都有相同的基本尺寸，以保證我們的測試結果有可對比性。 下面的幾種多桿機構是我們考慮和分析過的。 一、簡單杠桿機構 在我們給定的參數下，這個機構在使用氣動肌腱驅動時大大超出了肌腱允許的收縮范圍。因此我們不再對它做進一步的分析。 二、滑輪機構 在測試中我們可以保證氣動肌腱在允許的收縮范圍內工作，但經過簡單的力學分析，我們發(fā)現(xiàn)這個機構在初始運動時（完全蹲下），可以提供相當大的負載能力，在不斷地站立起來后，負載能力隨之迅速下降。 這個分析我們是利用inventor草圖的CAGD完成的，通過使用關系式進行草圖的約束來實現(xiàn)。下圖圖示左圖中顯示的“612.592”代表的就是在蹲起開始時的瞬間負載能力是612.592N；右圖中顯示的“11.063”代表的就是當站立動作快結束時的一個瞬間負載能力是11.063N。 這個結果顯然不是我們想要的。 三、經典的四桿機構 在測試中我們可以保證氣動肌腱在允許的收縮范圍內工作。我們這次將通過運動仿真來分析這個機構是否符合我們的要求。 很遺憾這個機構在負載350N時沒能在起蹲時站起反而又向下蹲去，通過下圖圖示我們看到，在檢測以彈簧所表示的氣動肌健時，它的彈力沒有下降反而上升了。說明氣動肌健不堪重負被迫拉伸了，在現(xiàn)實中氣動肌腱有可能就會被撕裂。 四、變支點多桿機構 在測試中我們可以保證氣動肌腱在允許的收縮范圍內工作。我們這次將通過運動仿真來分析這個機構是否符合我們的要求。 從圖示中可以看出，在負載350N時機構順利運行，代表氣動肌腱的彈簧彈力一直呈下降趨勢，沒有被拉伸。 因此，在膝關節(jié)的設計中我們最終確定使用“變支點多桿機構”。 五、主要電路原理圖 表面肌電（surface electromyography, SEMG）信號是神經肌肉系統(tǒng)在進行活動時的生物電變化經表面電極引導、放大、濾波所獲得的一維電壓時間序列信號，其振幅約為0-5000μV，頻率0-1000Hz 電極極片的基體用銅制作， 表面鍍銀，其形式采用常用的雙極型，并在兩個電極中間插入了一個參考電極，也稱作無關電極，以利于降低噪聲，提高對共模信號的抑制能力。為了消除來自電源線的噪聲，采用差動放大的方法。 肌電信號由兩個電極來檢測，兩個輸入信號“相減”，去掉相同的“共?！背煞荩环糯蟛煌摹安钅！背煞?。任何噪聲如果離檢測點很遠，在檢測點上將表現(xiàn)為“共模”信號;而檢測表面附近的信號表現(xiàn)為不同，將被放大。因此，相對較遠處的電力線噪聲將被消除，而相對比較近處的肌電信號將被放大。 在設計肌電信號放大電路時， 1.高增益：表面肌電信號幅度約在分布μV～mV數量級之間，是一種極其微弱的信號，要將其放大到一伏左右才能方便使用，所以將放大器的增益設置在80dB。2.高共模抑制比：表面肌電信號的采集易受50Hz工頻電源及其它高頻電噪聲的干擾。但這些干擾信號在放大器的輸入端表現(xiàn)為同幅同相的信號——共模信號，因此選用高共模抑制比的放大電路對干擾信號進行抑制。3.高輸入阻抗：肌肉組織與電極之間的接觸阻抗可能在相當大的范圍內變化，天氣干燥地區(qū)，接觸電阻甚至高達幾萬歐姆，在這種條件下，即使放大器的共模比極優(yōu)良，如果輸入阻抗不夠高，共模干擾信號也會造成輸出誤差。因此必須提高放大器的輸入阻抗。 放大電路的設計 設計的肌電信號采集電路要求具有高增益、高輸入阻抗、高共摸抑制比（CMRR）、低零漂、低失調、低功耗、尤其是低的1/f噪聲電壓。我們采用的是儀表放大器AD620 表面肌電信號非常微弱，從電極引導出的信號夾雜著很強的干擾信號，為了避免在干擾較強時信號進入非線性區(qū)引起嚴重失真，應該采用兩級放大。儀表放大器作為一級放大，比例運算放大器LM324作為二級放大。 濾波器的設計 表面肌電信號一般只有毫伏級電壓，信號中往往夾帶著低頻（接近直流）和高頻的干擾信號，真正有用的肌電信號大致在10Hz-500Hz之間。二階低通有源濾波電路： 二階高通有源濾波電路： 50HZ工頻陷波電路——采用雙T帶阻濾波器（陷波器，除此之外，50Hz的工頻信號也是一個重要的干擾源，如果不去除可能會掩蓋表面肌電信號，采用雙T有源濾波器來濾除50Hz的工頻信號。因此電路要具有高共模抑制比和好的抗干擾性，低通濾波器采用壓控電壓源型二階低通濾波器。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的:世界人口正在加速老化，老齡化社會正不可避免的到來。這樣的社會有兩個嚴重問題就是勞動力的匱乏和越來越多的老年人需要年輕人來照顧。我們需要一種機器用以輔助體弱者及中老年人運動，來幫助這部分人提高他們的自理能力和改善他們的生活質量。 思路:利用附著在人體上的機械來輔助體弱者及中老年人運動的。利用高壓氣瓶內的壓縮空氣驅動機械外骨骼和用采集人體表面肌電信號（SEMG）的方式控制機械外骨骼的運動。 創(chuàng)新點:使用緊身設計的下肢機械外骨骼，使用氣動肌腱作為膝關節(jié)助力的驅動單元。 技術關鍵:在緊身設計的前提下成功解決如何通過附著機械模擬人體髖關節(jié)運動的技術難題即通過5個轉動副模擬一個球面副運動。 主要技術指標:外骨骼可保證左右髖關節(jié)各內收5°，外旋50°，橫向擺動30°，縱向擺動110°；膝關節(jié)最大屈曲140°；每個膝關節(jié)使用單根FESTO提供的DMSP型氣動肌腱，外骨骼額定負重70公斤；
科學性、先進性
- 與現(xiàn)有公開展示的機械外骨骼產品相比，我們首次將氣動肌腱作為下肢機械外骨骼的驅動部件。我們嘗試了多種機構使機械外骨骼在膝關節(jié)助力上保持較穩(wěn)定的力量輸出，使人在最大額定負重時從完全蹲下到站直的各狀態(tài)中保證都可以完成站立動作。我們將這個機械外骨骼膝關節(jié)的助力機構叫做“變支點多桿機構”。 在這次對下肢機械外骨骼的設計中我們使用的是緊身設計。其中髖關節(jié)的設計是我們重點解決的問題。從解剖學上來說人體的髖關節(jié)是球窩關節(jié)，運動類型就是機械上所說的球面副。我們的解決方案是使用五個轉動副來模擬這個關節(jié)的運動，在計算機模擬和實際應用中效果很好，滿足一般人們髖關節(jié)內收和外旋的角度。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 技術合作
作品可展示的形式
- 模型，圖紙，磁盤，現(xiàn)場演示，圖片，錄像，樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 使用說明：通過腳部、大腿、腰部及肩膀的安全帶將下肢機械外骨骼附著在人體上。在背架上設有負載支架可以裝載重物。 技術特點和優(yōu)勢：使用壓縮空氣直接驅動，不需要電氣轉換，提高了能源的使用效率；由于氣動肌腱沒有類似氣缸的活塞結構，使其便于保養(yǎng)和維護，同時使整個設備更輕便；緊身設計，運動不再受限制，穿戴更舒適。結構簡單，控制原理不復雜，為未來可能的投產有效地控制了成本。 輔助老人和體弱者短途行走和解決在日常生活中遇到的需要搬運70kg以下重物的問題；隨著老齡化社會的到來，這類輔助機械將會有廣闊的應用空間，在有效控制成本的情況下這類商品將成為每個家庭中的必須品，普及程度將如一輛微型車。適用人群主要集中在尚能獨立行走的中老年人和需要助力支持的青壯年人。這是一種新興的產品，如果將制造成本壓縮在5萬元左右，預計市場空間將達到40至50億。
同類課題研究水平概述
- 機械外骨骼又稱動力外骨骼（Powered Exoskeleton），能穿在人身上,給人提供保護、額外的動力或能力，增強人體機能，如使腿殘疾的人能自己上樓，讓士兵能健步如飛、無障礙奔跑且不會疲勞、不會受傷等等。國外的研究起步很早，在美國這個概念首次出現(xiàn)在1963年驚奇漫畫上的虛構漫畫英雄鋼鐵俠（Iron Man）中。但在1690年，通用電氣公司就研制了一種名為“哈迪曼1（Pitman）” 的可佩戴單兵裝備，但僅僅只能替代人的一只手。 2001年，在美國高級研究計劃局(DARPA)的贊助下，加州的伯克萊大學、田納西州的橡樹嶺國家實驗室和鹽湖城的Sarcos公司分別開始了對機器外甲的開發(fā)。DARPA的目標是為戰(zhàn)士們設計一種可穿戴的機器外甲，能讓士兵在雙倍負重的情況下更快更久地行軍，這種鎧甲在提高力量和防御能力的同時又要保證靈活性，使穿著者仍舊能夠匍匐過鐵絲網或翻過戰(zhàn)壕。三個團隊的前期研究都取得了不錯的成果，最終Sarcos公司的XOS雀屏中選，進入了最后的研究階段。目前的實驗結果顯示它正在一步步地接近DARPA的目標。XOS使用壓力感應器來感知使用者的動作意圖。安裝在手或腳上的感應器以讀取壓力數據，計算機分析出用戶的動作意圖并在使用者真正用力之前控制液壓驅動的機械裝備做出相應的運動。穿著XOS的實驗者曾經連續(xù)500次舉起200磅（90公斤）重的杠鈴，而他最后放棄的理由不是疲倦，而是厭煩。 2009年，最引人注目的是洛克希德馬丁公司（Lockheed Martin）開發(fā)的“人類負重外骨骼”（The Human Universal Load Carrier簡稱HULC）。HULC系統(tǒng)的最大負重量可以達到90.7千克。HULC是一種模仿人體結構特點設計的外穿型機械骨骼，內部配備有液壓傳動裝置和可像關節(jié)一樣彎曲的結構設計，不但能夠直立行進，還可完成下蹲和匍匐等多種相對復雜的動作。HULC動力源為兩塊總重量3.6千克的鋰聚合物電池。在一次充滿電后，HULC可保證穿著者以4.8公里/小時的速度背負90千克重物持續(xù)行進一個小時。而穿著HULC的沖刺速度則可達到16公里/小時。 相比之下國內從事機械外骨骼研究起步就要晚很多，并且沒有多少個人或機構從事這方面的研究。我們要縮短差距還要有很長的一段路要走。在可預見的未來這項技術將改變我們的生活。
