先进机器人应用工程技术中心开发多地形环境下无拐支撑的新一代步行外骨骼机器人

我院先进机器人应用工程技术中心李智军教授团队在人机混合智能的生机电系统协调一体化关键技术方面取得突破,开发出多地形环境下无拐支撑的新一代步行外骨骼机器人。

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面临的技术难点、痛点

外骨骼机器人发展至今,行业应用仍处于初期阶段,尤其在国内,无论是在医疗领域,还是在工业领域,真正要实现大规模商用还要再等几年。究其原因,最大的绊脚石依然是技术本身。

外骨骼机器人融合传感、控制、信息、融合、移动计算等技术于一身,涉及拟人化机械结构设计、驱动系统选择、能源问题及控制系统原理等关键技术。外骨骼机器人需要与人体接触,通过传感器收集人体意图,进行机械反馈,如何实现人机动态平衡,这是外骨骼机器人半个多世纪研发的难点。

国外外骨骼机器人的研究早于国内,商业化水平也高,我国是继美国、以色列和日本之后,第四个成功研发外骨骼机器人的国家。但是目前,高校和科研机构完成平衡行走,都是借助拐杖的支持,使得人机处于静态平衡,这增加了患者的上肢负担,移动性大大降低,不能自由的行走,更别提拐弯等多地形环境中的应用。

突破技术难点:“主动意图识别”+“无拐辅助”

基于技术的痛点和难点,威尼斯888手机版-威尼斯app官方正版先进机器人应用工程技术中心在人机混合智能的生机电系统协调一体化关键技术方面取得突破,实现解读操作主体的行为意图,穿戴机器人对于周围环境感知,通过多源物理量检测与环境感知反馈,建立穿戴外骨骼机器人主动认知智能;并综合人机两方面认知结果,形成人机协同混合增强智能,最终实现对可外骨骼机器人的直觉控制。

全方位改进了外骨骼机械设计、控制算法和拟人化的步态,攻克关键技术,完成了新一代下肢康复外骨骼机器人自主研发,可以实现无拐杖辅助下平地行走、跨越障碍、转弯以及上下楼梯等场景,帮助穿戴者释放上肢负担,扩大运动范围、增加平衡性和安全性。这将是新一代在无拐杖支撑条件下实现多地形环境下步行康复外骨骼机器人,推进了我国外骨骼机器人在康复医疗行业的快速发展。

该款机器人基于仿生学和人体工程学自主研发的一款智能可穿戴式下肢外骨骼机器人,重约40kg,能够根据不同穿戴者的身高进行调节,与穿戴者进行很好的贴合。它是目前国内自由度数最多的外骨骼机器人,下肢自由度多达10个,其中8个主动自由度,包括膝关节的收缩和伸展,髋关节的收缩和伸展、内收和外展以及外旋和内旋,2个被动自由度分布在踝关节。该款外骨骼机器人也集成了多种传感器,如足底力传感器、姿态传感器以及绝对值编码器等,通过多传感器信息融合,使得该款外骨骼机器人在运行过程中更加稳定和安全。

下肢外骨骼机器人跨障

下肢外骨骼机器人平地行走

下肢外骨骼机器人转弯

新一代步行外骨骼机器人优势

与当前国内外研制的各类外骨骼机器人相比,新一代步行外骨骼机器人具有以下优势:

1.轻松使用:(1)拟人仿生步态,按照人体走路模式,实现多地形运动,平地,曲线转弯、跨越障碍,上下楼梯。(2)在无任何拐杖辅助,穿戴机器人维持穿戴者与机器人整体平衡与重心转移,轻松行走。

2.穿戴舒适:(1)使用者可独立穿脱、根据穿戴者升高调整。(2)适应所有使用者腿部外形,减少骨折、压疮等风险。

3.关键技术:(1)自适应区域控制方法:根据人体意图调整下肢关节约束通道,实现不同地形自由切换控制。(2)人机博弈分享控制:感知人体COM位置变化,在安全情况下,机器人柔性顺应人体前进速度或者在危险情况下,约束人体前进速度。

(作者:储晓丽,赵款款,张涛,李智军)

 

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中国科大威尼斯先进机器人应用工程技术中心简介

威尼斯888手机版-威尼斯app官方正版先进机器人应用工程技术中心(Advanced Robotics Center,ARC)立足安徽合肥,面向国家战略和地方产业需求,结合机器人前沿研究成果,汇集多学科高端人才,与企业、科研院所搭建创新成果转化平台,催生能够形成新产业的前沿技术,提升我国机器人产业源头创新能力。中心拥有教授4人,副教授3人,副研究员1人。中心在前期穿戴机器人和自主无人系统积累的工作基础上,对穿戴机器人、自主无人系统、人工智能驱动的系统三大方向进行建设,着重解决机器人在“信息传感-信息融合-认知决策-自主控制”四大方向中的关键问题。

中心下设穿戴机器人实验室、自主无人系统实验室、人工智能驱动的系统实验室。

穿戴机器人实验室重点开展穿戴机器人、生机电系统和人机共融技术前沿领域的核心技术、突破性技术的研发,关键性应用的攻关,前沿技术成果的转化,和国际领先示范性平台的建设。组建以领军人才、创新型人才、和跨学科高技术支持型人才组成的混合型人才团队,建设完成从生物机理、机器人基础理论,到机器人设计制造、测试应用的全方位交叉学科平台,成为全国领先的仿生机器人研发和技术转化中心。

自主无人系统实验室围绕创新型国家建设在机器人技术领域的机遇与挑战,提升我国机器人领域的人才素质和水平,汇聚机器人教育领域领军人才和行业专家,探究机器人前沿技术的教育教学方法,构建完善的机器人教育课程体系,为安徽培养具有国际视野的一流创新型机器人专业人才。与安徽本土知名机器人企业联合搭建机器人教育平台,探索机器人教育与机器人产业紧密结合的新模式。

人工智能驱动的系统实验室主要研究包括人脸识别、表情识别、目标检测、文字识别、语音识别、避障、导航定位等人工智能技术在机器人系统中的应用,推进人工智能产业发展并培养优秀人才。

康复外骨骼机器人具有广阔的市场前景

目前,外骨骼机器人在军事、工业和医疗康复领域应用前景广阔。在军事领域主要用于突破人体力量、速度等方面的身体极限;在工业领域方面,可以增强工人的工作能力;最成熟的应用领域是在医疗康复,主要用于辅助残疾人、老年人以及上肢、下肢无力患者、瘫痪病人等的康复治疗。

1.老龄化市场需求

2019年举办的全国老龄办主任会议,分析了我国人口老龄化形势,会议指出,我国是人口老龄化程度较高的国家,并且正处在快速发展阶段,60岁以上老年人口达2.49亿人,占比17.9%。人口的老龄化问题将很快成为中国面临的前所未有的新挑战。

2.脑卒中造成残疾的社会需求

脑卒中在悄然无息中带走了万千的生命影响和千万人的生命质量。据《2018中国卫生健康统计提要》,全国每年死于脑卒中的患者高达196万人/年,2017年我国城市居民脑卒中病死亡率为126.48/10万,农村居民为157.00/10万,幸存者中70%留有不同程度的永久性残疾。

面向老年人,脑卒中后遗症、残疾人等肢体活动受限的人群,为帮助其恢复正常的肢体运动,研制穿戴式外骨骼机器人,不仅能够提高人们的工作和生活质量,同时减轻了护理人员的工作量,这将在一定程度上缓解我国护理人员紧缺的状况。由于医疗康复机器人直接服务于人民日常生活,它的应用将产生重大的社会影响和社会效益,具有广阔的产业化前景。


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