隐藏在Fourier X1外骨骼机器人背后的黑科技 国内民用

admin 2月前 40


隐藏在Fourier X1外骨骼机器人背后的黑科技

本文转自“康复人创意大赛”微信公众号,点击阅读原文

前不久,来自上海张江的傅利叶智能发布了Fourier X1外骨骼机器人,这也是中国首款可以真正商业化的外骨骼产品。外骨骼机器人,又称动力外骨骼系统,是将机电一体化、生物力学、人体传感网络、步态分析等多领域科技融合而成的产物。Fourier X1其主要针对下半身瘫痪的患者,帮助他们实现坐、站、行走、上下楼梯等基本功能,也称“可穿戴的机器人”。下面,小编就带你仔细分析隐藏在Fourier X1外骨骼背后的黑科技。


一、力量和重量之间的权衡

动力外骨骼系统,首先就是需要有动力,才能驱动使用者无力的下肢进行运动。这就需要外骨骼具有足够的动力来源和一个坚固的机械结构来承担人的体重。做到这些,看似很简单,但当它成为一个“可穿戴”的动力系统就会变得异常艰巨。在设计过程中,设计师需要选择那些大扭矩、高精度且体积小、重量轻的伺服电机来驱动人的下肢。

据小编了解,Fourier X1的动力系统采用了多个进口高性能电机,这款电机品牌曾被应用于勇气号和发现号火星探测器,以及达芬奇手术机器人系统等高精尖的领域上。此外,为了使结构达到高强度、低重量的要求,Fourier X1通体采用了航空铝合金和碳纤维板的搭配。制造则是采用CNC工艺,保证了每个部件都是由整块的铝板加工而成,从而避免了一些结构上的弱点。


▲ 步行中的Fourier X1

以下是Fourier X1产品视频,请戴上耳机欣赏:



二、生物力学与步态分析

从设计的一开始,傅利叶智能的工程师们就前瞻性地考虑了人在行走过程中的生物力学和步态。 通过对人穿戴外骨骼进行三维空间的力学仿真和模拟,工程师们可以精确测量出使用者在穿戴外骨骼后行走的前倾角度以及摆腿过程中手臂受力的情况。下图是根据实际使用者实际情况作的受力分析图。


▲ 穿戴X1外骨骼行走时的受力分析图

步态分析,是外骨骼研究领域的另外一个技术关键。傅利叶智能的工程师们事先采集了多条步态轨迹并存入到设备中作为参考曲线,然后患者在适应、学习使用机器过程中,配合高精度传感器选取一条最适合自身的基准步态曲线,再根据使用者走路习惯、步幅大小、步频快慢等,在步态曲线的各个点处进行调整。

与此同时,结合外骨骼的实际情况,工程师们还缩短了行走时的摆动相时间并延长支撑相时间,从而让患者减少使用拐杖支撑的时间和频率,使用起来更舒适。有时候患者走动的重心、步态偏差比较大,一旦超出设定范围,机器会检测到,并采取设备自动关停、报警等安全方面处理,设备停止之后人不会直接摔倒,而是处于固定暂停状态。


▲ 人的步行周期可分为支撑相和摆动相

二、人与机器人的交互——力反馈

既然外骨骼是穿在人身上的,那就需要它能够和人进行互动。傅利叶智能的这款外骨骼则是通过触觉与人进行了互动。

下面这个demo就清楚地展示了如何让机器产生触觉的反馈:没有力反馈的情况下,海绵形变非常严重也无法提起把手;有力反馈的情况下,海绵可以轻松提起把手。


▲ 无力反馈

▲ 有力反馈

Fourier X1在机器人的各个关节和足底都装置了力传感器,通过检测和分析人在运动过程中的实时力学环境,从而动态调整机器人的运动轨迹。下面的Fourier X1的控制框图详细解释了人的肌肉骨骼系统和外骨骼如何进行交互。


▲ 人机协同控制框图

看完了这篇分析文,是不是对Fourier X1有了更多的了解?下面,请大家带上耳机,欣赏一下Fourier X1产品宣传片~



如何?看了上述的报道,是否也心潮澎湃起来了?2016年傅利叶杯中国康复人创意大赛已成功落幕,但是中国的康复人不会停止创意革新的脚步,让我们一起期待2017年傅利叶杯中国康复人创意大赛~ 进击!中国的康复人!

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