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 新闻资讯     |      2022-09-25 07:46

yb全站体育app最近,我快速阅读了以色列的 Yuval Harari 写的科幻小说《未来简史》。我分不出名书和坏书的区别。有趣是好事。这本书讲述了一些我认为有趣和现实的结论。虽然其他文学(或科幻电影)可能已经说过了,但是这本书很受欢迎,那么它的影响力会大很多。一些有趣的点如:1.以前的技术只是作为人类的工具,未来的技术即将改变人类本身;2- 几千年来,大部分人类都饱受瘟疫、战争、饥饿的折磨,未来人类追求的将是长寿、健康、幸福;3- 未来大部分人类将无用,机器人和AI将取而代之(类似于北京折叠的预设);4- 其他

想想硅谷大神马斯克最近创办的新公司Neuralink,致力于连接人脑和电脑疯狂机械人,将电脑芯片植入人脑(当然马斯克打着治病救人的旗号);疯狂的老科学家菲尔·肯尼迪(Phil Kennedy)自己做了实验,在自己的大脑中植入电极收集信号,收集关于他的思维和脑电信号之间关系的数据,也有了一些明显的进展,还有一些之前的大脑植入物。输入电极已经能够采集信号来控制外部物体;一起来看很有意思:人体的主要器官甚至骨骼都有使用寿命,而现在的医疗公司已经可以替代人工心脏等大部分人体器官,

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yb全站体育app作为本地的机器人工程师,暂时不懂AI这种高级的东西,但是一直很喜欢(羡慕)钢铁侠的装甲服,而且近几年机电一体化和实用控制技术发展很快,我感觉钢铁侠的西装快要来了。我能做到,感觉不能落后于这个时代,于是赶紧找了几本可穿戴机器人书籍和文章来弥补(最后拖到了本文的主题),然后和大家​​聊了聊业内人士了解更多。外骨骼机器人的现状和技术/商业难点。

1.外骨骼机器人介绍

外骨骼的定义来自于动物疯狂机械人,也就是用来支撑和保护动物的外骨骼,而不是像人类这样的“内骨骼”生物。所以外骨骼机器人一般是指那些可以增强人类能力的可穿戴机电设备,当然也包括那些可以增强(帮助康复)残疾人的可穿戴设备(康复型是因为控制思路比较清晰,我就不讨论了)首先)。

yb全站体育app1960年最早的外骨骼项目源于美军的增强型军用装甲,同时康奈尔大学的研究人员也开始研究人体增强的概念。外骨骼的研发很早就开始了,也导致这个领域可以解决的大部分问题基本解决了(剩下的都是硬骨头)。

下图描述了外骨骼的主要用途:

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yb全站体育app2.外骨骼机器人控制方法

既然涉及到增强能力,简单来说就是增强“力”,那么就涉及到如何收集人的意图,从而将意图转化为合适的电机/液压输出力。目前,获取人的意图有两种方式:直接获取操作者意图和间接获取操作者意图。

其中,直接获取操作者意图的方法包括肌电数据或人与机器人的相互作用力,间接方法是从外骨骼关节获取数据,估计操作者的意图,然后放大运动效果。目前可获取的人体生物信号主要有:脑电图(EEG)、心电图(ECG)、肌电图(EMG)、机械肌图(MMG皮肤机械信号)、眼电图(EOG)、皮肤电反应(GSR皮肤电信号) ,脑磁图(MEG脑磁信号),外骨骼控制常用EMG(肌电信号)和EEG(脑电信号)信号。

目前,直接获取操作者意图的传感器还不够成熟。例如,EMG 的数据噪声、建模和校准都非常困难。比如Hybrid Assistive Limb(HAL5)这个外骨骼使用EMG信号来控制机器人),但是校准EMG信号需要2个月。而在动态环境中保持传感器的精度是一个很大的挑战,使用交互力来控制外骨骼也存在类似的问题。

目前,大部分外骨骼都是通过操作者的意图间接获得的。该方法主要利用外骨骼硬件检测信号来估计人的意图。这种方法也存在一定的问题。目前最严重的问题是无法区分操作者的力量和外力。在这种情况下疯狂机械人,外力也会使外骨骼机器人判断错误,可能导致外骨骼机器人变得不稳定或失控。

西班牙CSIC(西班牙国家研究委员会)的Jose L. Pons认为,外骨骼机器人的两个独特点是人类和机器人具有物理和认知的双重交互,而物理人机交互(pHRI)是人机交互( pHRI) 将与机器人进行强大的交互,机器人可以增强人类的能力;认知人机交互 (cHRI) 意味着人类了解机器人的能力,并始终感知到他们正在控制机器人。

3.几种外骨骼机器人技术方案介绍

以下部分 3.1 和 3.2 介绍增强外骨骼,而部分 3.3 和 3.4 介绍康复外骨骼。

3.1MIT 外骨骼增强外骨骼

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这是美国DARPA军方和麻省理工学院的一个联合项目,旨在增强士兵的运动耐力(根据项目名称翻译)。

这个外骨骼是用来增强人体的负重能力的疯狂机械人,目标很明确。并且非常有特点的是它设计的只有一个主动驱动的关节:髋关节驱动器;其他膝关节和脚踝使用阻尼器和弹簧,这是一种欠驱动的外骨骼解决方案,大大减少了外骨骼。项目的整体质量和复杂度,以及主要设计目标的实现,不得不佩服他们的想法。并且关键指标表现非常好,后面会提到。

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上图是整体外观,图中还标出了整个外骨骼所使用的传感器。

下面从整机设计、驱动(机构)设计、控制策略等方面对这款外骨骼机器人进行介绍和评测。

机器设计方案:

这个机器人的目的是将人体的负荷转移到地面上。该系统设计有足够的自由度,以确保佩戴者不会感受到过多的机械约束,整机的设计将末端的质量降至最低。唯一需要在运动过程中辅助运动员和外骨骼的臀部动力机制。

系统每条腿设计有7个自由度,臀部设计有3个,膝关节设计有1个,踝关节设计有2个,足部设计有1个。弹簧安装。比较有特色的是,在臀部设计了凸轮机构,可以保证人腿与外骨骼的距离在运动过程中发生变化。这种变化会影响人腿的轴心位置和外骨骼运动,这是很好考虑的。

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在与人相连的​​部分疯狂机械人,采用了肩带、腰带、大腿绑带、鞋子固定等方式。这种连接允许外骨骼被动地跟踪人腿的运动。此外,这款外骨骼与美国陆军爱丽丝背包一起使用。这是一款美军经典的背包(也是我一直感兴趣但本科时没买过的一款背包)。下图可以清楚地看出MIT为什么选择这个测试。

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这款背包自带框架背负系统,就是中间可以看到的钢管部分。因此,只要将钢管部分连接到外骨骼上,就可以将重量直接传递到地面。

驱动设计方面:

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上图是系统中唯一的驱动器设计方案,采用RE40电机(学术界标准型号,经久不衰)、减速带、弹簧作为动力输出环节,即SEA方案,作为系统中唯一的动力该组件的性能设计得非常好。如果末端固定,力输出带宽可以达到35HZ,如果末端用质量块测试,带宽可以达到40HZ。波特图的理论和实际比较如下。

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考虑到人腿的正常运动速度应该在5HZ以​​内,文章添加并测试了1600N振幅5HZ的随动性能。如下图,可以看出端部略有超调,曲线其他部分匹配良好。

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既然高性能的外骨骼必须有高性能的驱动来支撑,相信大家一定见过波士顿动力的机器狗。它的机械腿的带宽必须非常高,否则将无法实现灵巧的防摔动作(踢不能摔倒)。响应动作动作)。

控制策略:

麻省理工学院的研究人员有一个非常好的习惯,即从原始研究开始。例如,文章在制定策略之前研究了人们走路的实际情况。也就是说,当一个人在正常速度行走时需要做正功,什么时候做负功,可以给出一个策略来确定系统什么时候提供能量,什么时候吸收(储存)/消耗能量。其步态的结论如下图所示。

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那么根据上面的文章,臀部控制的状态机设计如下,来决定什么时候发力。

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膝关节的状态机也设计如下来决定何时消耗能量(膝关节是可变阻尼控制器)。

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其中,状态机的判断是基于关节位置和鞋底力传感器的综合判断。

总结:经过测试,证明该系统可以将90%的负载重量转移到地面。笔者认为,这种控制策略也可以用于残疾人的外骨骼控制(其实我觉得可以作为参考,但是残疾人的种类太多了。更多,可能不适用于大部分)

3.2Body Extender 增强外骨骼

下图中的外骨骼看起来有些夸张。其实这个东西还是蛮有用的。比如帮助飞机挂载导弹时,就不需要液压推车了。可以直接安装,也可以有其他民用用途,如(搬砖)工地高强度工作(国外很多房屋项目都是房子,所以有很多重体力活需要人力需要做)。

这是意大利军方与意大利PERCRO实验室的合作项目。其主要目的是跟随操作者的动作,放大操作者的力量。下图就是这个外骨骼的样子。

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整机共有22个自由度,每个自由度由直流有刷电机驱动。五个六维力传感器(手、脚、躯干)安装在人和机器人固定的五个部位,检测人体运动意图,两个一维力传感器安装在手的爪部,以检测人的运动意图。检测人手的预期输出。力量。

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这个外骨骼的设计思路中规中矩。这个想法是使用五个 6 维力传感器来控制机器人的运动并放大人力。在运动稳定性和安全性方面没有太多考虑,因为固定部分只有几个力传感器可能无法控制人体摔倒。这种外骨骼的控制方面基本上是正常的机器人力控制和运动控制。

不过,这种设计理念却被宅男工程师大大发扬光大。比如美国要对抗日本的那种机器人,诺,就是下图中的那个。我不评论这两个机器人。

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3.3XoR 康复外骨骼

这个康复外骨骼只是一个原型,自由度布局如下:

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这个外骨骼的驱动设计很有特点。该驱动器使用混合气动肌肉和电机。气动肌肉用于补偿重力,电机用于快速控制。下图描述了两者的互补优势。即电机扭矩小但响应快,气动肌肉扭矩大但响应慢。两者的结合产生了很好的阶跃响应曲线。气动肌肉是FESTO的商业产品,电机是学术界标准的maxon RE40。

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该系统的单腿设计如下图所示,气动肌肉分别安装在膝关节和踝关节上。

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同时,这款机器人采用多传感器融合技术,利用EMG、EEG、NIRS信号来尝试控制外骨骼,并在系统中安装了IMU(惯性测量单元)和足部负荷压力传感器。

3.4ReWalk 康复外骨骼-不仅仅是走路

下面介绍由Amit Goffer博士设计的以色列著名外骨骼公司ReWalk。1997年,他因车祸四肢瘫痪,亲身经历激发了产品灵感。2001年,他领导成立了ReWalk的前身Argo Medical Technology Company。ReWalk于2014年获得FDA批准,是第一款获得FDA批准的外骨骼机器人产品。ReWalk深耕外骨骼领域十余年。他的发展路径值得借鉴,即如何让一家外骨骼公司能够盈利。他们采用两条产品线的方法:一条用于个人,一条用于康复。下图是ReWalk的康复训练中心。

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ReWalk最近发布的个人产品是NewReWalk™Personal6.0,可以在家里和社区,户外,甚至爬楼梯全天使用,可定制(结合患者身高等参数) .

另一方面,ReWalk™ Rehabilitation 可以提供康复机器人的功能。由于体积小,可以提供家庭康复和社区康复,而且由于患者首先体验了产品,它还可以帮助他们购买个人产品。将外骨骼产品做成全系列的康复产品是一个很好的想法:即先用ReWalk™ Rehabilitation做康复,再用ReWalk™ Personal作为外骨骼产品,可以扩大活动范围,便于后续销售个人。这种康复训练中心有一种体验店的感觉。

没体验过ReWalk产品,也只有一张特写发布,也没有机会体验。我引用 Goffer 博士对产品的评价:ReWalk 可以完全由用户控制,无论是站立、行走、坐着,机器人都可以明确执行指令(即完全可操作性,Jose L. Pons 提出的一个观点)。ReWalk 执行官 Jeff Dykan 从另一个角度解释了 ReWalk 的重要性:从现在开始,坐轮椅的人可以站起来走路,可以平等地看待其他人,可以拥抱和被别人拥抱。这是一个公司的情怀,一个伟大的公司必须有一种有用的、被认可的情怀。

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4.总结

目前有很多外骨骼机器人公司。你可以在这个网站上找到大部分的外骨骼公司:Exoskeleton Report。下图是网站截图,里面的文字是链接。点击它,您可以看到本网站组织的公司。

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与临床效果非常明确的微创手术机器人(达芬奇机器人)相比,外骨骼机器人还有很大的想象空间,有接近消费产品的选择。

引用一份报告的数据描述市场:康复机器人产业规模(这里分为康复机器人和外骨骼机器人)将从2014年的2.3亿增长到2021年的11亿,预计复合年增长率为27.3%;外骨骼机器人产业规模将从2014年的1650万美元飙升至2021年的21亿美元,预计年复合增长率为99.8%。如果将康复机器人和外骨骼机器人统一为康复机器人,广义康复机器人市场规模将从2014年的2.2亿美元增长到2021年的32亿美元,而手术机器人产业规模将从2019年的32亿美元增长到2014. 美元,到 2021 年增长到 200 亿美元,预计复合年增长率为 29.9%。根据这个数据分析,2014年手术机器人市场超过了2021年的康复机器人市场。从整体来看,手术机器人的表现优于康复机器人。

从技术上看,康复外骨骼机器人的研发门槛较低,属于二类医疗器械,注册门槛较低;辅助行走外骨骼机器人的性能受限于技术;而手术机器人技术研发门槛比较高,属于第三类医疗器械,国内注册门槛和周期都很长,相比之下,手术机器人适合大公司发展,而外骨骼机器人适合创业公司。

另外推荐经济领域的“机械鲁娟团队”写的一篇文章《康复机器人PK手术机器人》。康复机器人PK手术机器人论文级报告_医疗器械_资讯频道_医谷,从一个手术机器人从业者的角度看,陆娟团队能将手术机器人看的如此清晰、全面,非常佩服。

没想到这篇文章延迟了一个多月。现在回想起来,一是不明白这个行业需要看论文看懂计划,二是工作忙没时间。第一篇费了点劲才写完,第二篇有点跪了。这篇文章基本上是全过程(先贴,再慢慢改),不过写点东西确实是个好习惯。当我用我自己的话描述一些东西时,我自然会理解它,所以我在写的时候必须坚持下去。

附:放一些外骨骼机器人公司的网站(摘自CMU的一个调查总结),以后有空的时候看看,挺有意思的,大家都在玩各种玩法(搞笑)。

本次调查是:A Surveyof Current Exoskeletons and Its Control Architectures and Algorithms,大家可以自行搜索阅读/~cga/exo/survey.pdf

12.2用于增强的商业外骨骼

12.2.1Sarcos XOS/WEAR

亲身体验 Sarcos XOS 2 – 现实生活中的钢铁侠

12.2.2洛克希德马丁HULC,富通

FORTIS 人力外骨骼

12.2.3修订军事

/watch?v=RKcqHaPhkkM 这个视频很烂。

/watch?v=Zq4amM9u-6o

12.2.4Activelink/松下

亚通股份有限公司

12.2.5大宇

遗言存档 | 新科学家大宇码头工人现在使用增强力量的外骨骼 -

12.2.6Innophys:肌肉套装

视频:/观看?v=Sqr1l909WPw

视频:/观看?v=mNdJgh0ZcrM

12.2.7Noonee(瑞士)

欢欣鼓舞,通勤者和工人!无椅椅外骨骼让您随时随地坐下

12.2.8佐川电子(瑞士)

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