本文中我愛方案網將給大家介紹下肢外骨骼機器人方案。
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方案背景
我國行走不便患者數量呈逐年上升的趨勢，其中主要包括行走不便的老人及偏癱、截癱病人，而目前使用的康復設備，未能滿足這一巨大需求：首先，很多康復設備在使用中需要多個看護人員協作，用人力幫助病患擺動肢體，費時費力；其次，很多設備對病患使用過程中的生理狀態缺乏跟蹤，而病患身體情況千差萬別；再次，某些復雜設備的準備時間極長，效率低，維護成本很高；最后，現有康復手段對場地和環境要求很高。20 世紀末，外骨骼機器人重新得到世界各國的關注，其中下肢康復用外骨骼機器人可以實現穩定步態，從而具備一個看護人員照看多個病人、同步記錄病人生理狀態、穿戴簡便、省時省力以及訓練可以因地制宜等多個優勢。
下肢骨骼機器人在民用領域有非常廣闊的市場，應用較為廣泛，主要包括協助下肢癱瘓患者進行康復訓練、為殘障人士及老年人的日常生活提供輔助功能等。隨著全球人口老齡化問題的日益嚴重，以及發達國家勞動力的缺失，歐美、日本等國，尤其是日本，對各種輔助機器人的研究表現出極大的興趣。
美國Berkeley Bionics以HULC外骨骼模型為基礎，開發了eLegs （Ekso）外骨骼系統，于2011年應用于部分康復中心，可能在2013年上市銷售。
以色列埃爾格醫學技術公司機械長褲ReWalk的研發主要是希望癱瘓病人能夠擺脫輪椅，像正常人一樣行走。這套裝置已于2011年開始在世界范圍內發售。
日本筑波大學開發的HAL系列下肢運動輔助外骨骼，是目前研究較為成熟的下肢柔性外骨骼系統。該系統能探查到大腦傳出的微弱的肌肉信號，進而控制肌肉運動
。可以預見，在老齡化現象日趨嚴重的今天，這種助力機器人將擁有非常廣闊的市場空間。基于這種需求，中科院集成所團隊開發了這款下肢外骨骼機器人方案。
方案構架：本體+控制部分+傳感
該項目的研究目標是研制能夠輔助老人以及體弱者正常行走的穿戴式下肢外骨骼機器人樣機，并且通過與醫療結構合作將其應用于下肢殘障人士的康復工程。它主要分為機器人本體和控制部分，傳感部分三大部分。
A.機器人本體：
如上圖所示，下肢助行外骨骼機器人由2大部分組成，主體結構和輔助設備。主體結構為“穿戴”在人體身上的外骨骼機械結構。主體結構有6個關節，共具有10個自由度，其中膝關節和髖關節的前后運動是主動運動，由電機驅動，腳踝關節和髖關節的左右運動為被動運動。背部固定有控制裝置以及電源系統。機器人整體結構緊湊輕巧，結構設計合理。
B.控制系統：
本項目的目標下肢外骨骼機器人將具備安全可靠的行走步態控制技術。首先通過放置于足底的壓力傳感器以及髖、膝關節的角加速度傳感器，對機器人的步態穩態、動態進行精確的判斷，然后通過額外的壓力傳感器，獲取機器人與人體的相對狀態，由于機器人與人體相當于兩個相連的獨立轉動系統，我們需要采用阻抗控制來強化機器人對人體關節運動的增益作用，同時遏制機器人對人體關節運動的阻礙作用，最后，通過路徑控制器實現機器人的軌跡跟蹤，從而建立完整的閉環控制結構。
C.傳感系統：
1.人體足底與外骨骼鞋底之間的壓變電阻式壓力傳感器；
2.小腿與外骨骼之間的高靈敏度壓力傳感器；
3.膝關節角加速度傳感器；
4.髖關節角加速度傳感器。
方案功能
在下肢外骨骼機器人上實現以下主要功能：
（a）通過對人體下肢運動特征的采集和分析，該機器人可以模擬人體的完整步態；
（b）通過控制機器人關節處的伺服電機，結合符合人體工學的設計，實現對老人以及體弱者行走助力；
（c）通過與醫療結構的合作，充分考慮醫護人員與病患的需要，可以應用于下肢殘障人士的康復訓練；
（d）在主體架構、控制算法等軟硬件設計層面加入多重安全防護功能，建立包括危險預防和危險應急處理的綜合安全保護策略；
（e）通過智能拐杖等外部輔助設備，提高穿戴者的使用體驗，并提供一個可擴展的平臺，針對老人、體弱者及殘障人士集成跌倒檢測、危險報警、智能遙控等實用功能。
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