HAL外骨骼机器人- 关键技术
HAL的双控制系统设计
运动意图估计
步态参考模型
HAL外骨骼机器人- 应用实例
HAL辅助残疾患者进行康复训练，提升患者训练的自主性，提 高康复效率，到2013年，已有160套HAL外骨骼在医疗机构应 用于康复训练测试。
HAL外骨骼机器人- 应用实例
HAL最新产品应用于福岛核电站的清理 工作，外骨骼可以防止核辐射，极大提 高工作效率
BLEEX外骨骼- 关键技术
• 拟人化结构设计技术
人步行时的 最大值 踝关节弯曲 踝关节伸展 踝关节外展 踝关节内收 膝关节弯曲 14.1° 20.6° 无效 无效 73.5° BLEEX的 最大值 45° 45° 20° 20° 121° 男性军人平 均最大值 35° 38° 23° 24° 159°
• BLEEX的受驱动关节都装有航空轴承，克服偏轴距和摩 擦力的影响，保持小断面、无间隙和低摩擦特性。 • BLEEX每条腿装有40多个不同类型传感器，实时获取运 动及力等信息。
BLEEX外骨骼- 关键技术
• 依据传感器信息，基于最小化人 机交互作用设计控制策略，控制 BLEEX伴随人体运动，保证了人 体运动的安全、自由。
科 幻 中 的 超 级 战 士 佩 戴 BLEEX
的 士 兵
BLEEX外骨骼- 技术指标
• BLEEX有两个动力拟人腿，单腿有7DOF （髋关节3DOF，膝关节1DOF，踝关节 3DOF） • 连杆采用轻质钛合金材料 • 混合液动—电动能量供给单元，能源可
维持20h持续工作
• 直线液压驱动（小巧/轻质/大力） • 自重38kg，最大负载37kg，最大负载步 行速度0.9m/s，无负载步行速度1.3m/s
HAL外骨骼机器人- 市场分析
HAL康复设备已于2008年市场化，目前仅在日本向公共 机构出租，租金每个月US$2000。产品于2013年获得了 全球安全认证，将投入批量化生产，预计前期每年产量 500~800套，前期仍以出租的方式投入市场，对其它国家 出租价格每月US$1300~US$3900。由于有巨大的市场需 求，市场效益十分可观。
HAL外骨骼机器人- 研发历程
HAL（Hybrid Assistive Limb）由的山海嘉之教授创立Cyberdyne公司研制。 HAL-5于2005年亮相爱知世博会，并获最佳发明奖，2012年已有130多家医疗 机构使用，2013年成为世界上首个获得全球安全认证的外骨骼机器人。
HAL外骨骼机器人- 技术指标
外骨骼机器人
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外骨骼机器人
外骨骼机器人：将人的智力和机器人的“体力”完美 结合，在助力、助老、助残及军事领 域有广阔应用前景
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BLEEX外骨骼机器人- 研发背景
• 加州大学伯克利分校于2000年在美国国防部“增强人体机 能的外骨骼”(EHPA)项目的资助下，研制一种机器骨骼 。未来士兵佩戴外骨骼机器人后，将成为一名超级士兵， 可携载更多的武器装备，火力威力增强，防护水平提高， 同时可克服任何障碍，高速前进，不会产生疲劳感。2005 年进行外骨骼（BLEEX）样机试验测试。
ห้องสมุดไป่ตู้
HAL外骨骼机器人- 研发意义
• 随着老年人口的增多，助老成为许多国家面临的关键社会 问题 • 提高肢体残疾患者自主生活/工作能力一直是全世界助残事 业的重点 • 增强体力劳动者的劳动能力，辅助劳动者在危险环境（如 地震灾区）中尽快完成繁重劳动
HAL外骨骼机器人 旨在辅助体弱或运 动不便人群正常运 动；并能增强劳动 者体力，提高劳动 者的工作效率
髋关节弯曲
髋关节伸展 髋关节外展 髋关节内收
32.2°
22.5° 7.9° 6.4°
121°
10° 16° 16°
125°
无效 53° 31°
外侧完全旋转
内侧完全旋转
13.2°
1.6°
35°
35°
73°
66°
BLEEX外骨骼- 关键技术
• BLEEX的关节与人下肢关节 匹配，连杆长度可调
BLEEX外骨骼- 关键技术
BLEEX外骨骼技术拓展
• Berkely Bionics公司于2009年研发了第三代军用 外骨骼HULC™
• HULC使用者可灵活的进行 下蹲、匍伏和上肢举重 • 自重24kg，最大负载90kg ，适用身高1.62m至1.87m 的使用者，使用者30s内 可以脱下 • 持续最大速度11km/h，爆 发速度16km/h • 8块锂电池可供HULC工作 96小时
外骨骼机器人- 关键技术
• 外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融 合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿 戴的机械机构的综合技术，核心部分包括以下几 个方面：
1、构造材料：外骨骼必须用坚韧、轻质且有弹性的复合材料制成。 2、能量源：外骨骼的能量必须足以支持24小时以上，并且便携、噪 声小。 3、控制：使用者在穿上该设备后能够正常活动。 4、驱动：设计者必须使机器能够顺畅移动，以便穿用者不会太笨拙 。与发动机一样，促动器也必须安静而高效。 5、生物机械学：外骨骼的结构必须像人体一样带有可弯曲的关节。
ExoHiker™
• 为大负载，长 时工作设计
• 自重14kg，负 载68kg
ExoClimber™ • 除了大负载和长
时特征，可以快 速上下台阶/斜坡 • 自重22kg，负载 68kg
• 佩戴1磅的电 池，以4km/h 的速度，行进 70km
• 噪声微小 • 穿戴后不妨碍 驾驶车辆
• 佩戴1磅的电池， 在最大负载条件 下，至少爬183m 斜坡 • 噪声类似一台办 公打印机
BLEEX外骨骼- 关键技术
• 混合能量供给单 元，液压驱动关 节运动，电源供 给传感、计算和 控制系统；
• 电路采用高速同 步环状网络拓扑 结构，保证数据 采集、处理的实 时性。
BLEEX外骨骼技术拓展
• 为市场化BLEXX技术成立的Berkely Bionics公司，研发了 第二代军用外骨骼ExoHiker™和ExoClimber™
• HAL-5是全身型外骨骼系统，高1.6m， 重约23kg，下肢约15kg • 全身共26DOF，每条腿有8DOF • 充电电池，工作电压100V
• 连续工作时间2小时40分
• 实现站、坐、走、蹲及上下台阶等运动
• 最大负载70kg
• 行走速度可达到4km/h
• 使用前，需要30分钟的训练
HAL外骨骼机器人- 关键技术
电机驱动各个运动关节，HAL包括EMG电极、足底压力传感 器、编码器等多种记录人机运动状态的传感器，信息传输到中 央处理器进行分析处理。
HAL外骨骼机器人- 关键技术
HAL通过捕获激发人体运动的神经电信号（肌电信号）识别人的运动意图， 基于运动意图实现自主控制。
HAL外骨骼机器人- 关键技术
HAL基于人体运动步态分析，记忆使用者的运动特征作为参考值，控制外骨 骼实现平滑运动。
谢 谢！
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