下肢外骨骼助力性能评价方法研究

为定量研究下肢外骨骼的助力性能,提出了助力性能量化指标矩差和ΔT与矩差功率比μ,矩差和ΔT定义为人体穿戴外骨骼前后下肢髋、膝、踝三关节力矩差值之和,矩差功率比μ定义为ΔT与外骨骼消耗的总功率p之比。建立了下肢外骨骼的动力学模型,结合人体步态运动数据获得了在常见步态下总功率p的变化情况。利用动力学分析软件ADAMS建立了人体简化仿真模型和人机穿戴仿真模型,分析了ΔT的变化规律,结合p和ΔT得到μ的变化规律,结果显示,在行走站立阶段,ΔT均保持较大数值,表明穿戴外骨骼之后,在站立阶段人体下肢三关节力矩大幅减小,外骨骼辅助作用明显;矩差功率比μ均在摆动阶段取得最大值,表明在摆动阶段外骨骼单位功耗对人体辅助贡献大,功耗利用率高。     

无动力储能式辅助负重外骨骼弹簧刚度优化

针对目前重物搬运困难、人体搬运效率低的问题,提出一种含弹簧储能元件的辅助负重下肢外骨骼,并对其刚度进行优化。首先,建立了该外骨骼的运动学模型,明确了各部件的运动关系;其次,通过建立步态支撑周期内的力学模型,确定各关节由负载产生的力矩与刚度的关系;最后,以各关节由负载产生的有效转矩之和最小为目标、以刚度为参数建立模型,采用遗传算法进行刚度优化,并穿戴实体样机进行实验验证外骨骼性能。结果表明:穿戴对刚度进行优化后的无动力外骨骼可有效降低人体在负重行走时的能耗,减小人体骨骼受力。     

一种助力髋关节伸展和屈曲的柔性外骨骼机器人

随着下肢外骨骼机器人的发展,出现了各种各样应用于医疗康复等领域的刚性外骨骼.刚性外骨骼会增加下肢额外的惯性力并限制人体运动的自由度;与刚性外骨骼相比,柔性可穿戴下肢外骨骼则可将一些对人体运动的影响因素减至最小.根据人体在行走过程中髋关节动力学变化,设计了一种为髋关节伸展和屈曲提供助力的柔性外骨骼.根据髋关节的关节力矩和关节力的变化,提出了一种助力策略和期望助力曲线控制电机追踪期望力曲线,从而得到实际作用于髋关节的实际力.为了减少由佩戴位置和穿戴者身材特征而引起的误差,提升助力效果,引入了PD型迭代学习控制(ILC).为了评估助力效果,测量了4名受试者分别在穿戴外骨骼不助力、助力髋关节伸展和屈曲以及仅助力髋关节伸展3种不同情况下产生的新陈代谢能;通过产生的新陈代谢能的值来评估助力效果.结果表明,与仅辅助髋关节伸展和穿着外骨骼不助力的情况相比,助力髋关节伸展和屈曲的平均净新陈代谢能分别减少了0.445 W/kg和1.027 W/kg,平均净新陈代谢率分别降低了7.45％和15.67％.     

下肢外骨骼机器人踝关节建模及动力学仿真

下肢外骨骼机器人是一种具有辅助助力和医疗康复功能的智能型机械装置。本文通过对人体踝关节结构分析,设计了被动气弹簧踝关节下肢外骨骼机器人,并建立了被动踝关节力学模型;利用OpenSim获得了正常人行走时一个步态周期髋、膝关节步态数据,将其导入ADAMS对所设计的下肢外骨骼机器人踝关节未加气弹簧和加气弹簧两种模型进行了动力学仿真,通过对两种模型运动曲线对比分析,验证了所设计的下肢外骨骼机器人在步态行走和动力学方面的可行性和正确性。     

基于柔性膝关节的外骨骼设计与动力学研究

为了兼顾外骨骼动力的线性输出与穿戴过程的安全性,设计了一款包含助力与缓冲两种工作模式的下肢外骨骼。首先,对外骨骼膝关节缓冲器及整机模型进行了参数计算与结构设计;然后,对其做动力学分析并通过Matlab计算得到关节理论力矩;将计算所得参数与理论力矩分别代入Adams,对两种工作模式下的外骨骼进行仿真试验;通过对比仿真结果与人体运动标准数据,证明外骨骼助力模式可基本满足穿戴者正常行走需要,缓冲模式可在突发状况下缓冲刚性冲击。研究结果为后期系统的控制与模型制造提供了重要的理论依据。     

无动力助行外骨骼的机构设计和运动分析

针对神经系统疾病致使下肢行走存在困难的患者,设计了可穿戴无动力助行外骨骼康复装置,旨在帮助患者恢复其正常步行,并改善患者的日常生活自理能力。具体研究内容包括:对人体下肢运动机理进行分析,基于结构设计的安全性、可靠性、舒适性,同时考量系统自由度的合理配置后进行Solid Works三维建模,并对髋关节处的储能弹簧与滑道展开重点设计;对髋关节处储能弹簧的最佳刚度参数进行求解。     

一种多自由度可调节下肢康复外骨骼的设计与仿真

针对下肢受损、脑卒中等患者的康复训练,设计了一款多自由度可调节下肢康复外骨骼,利用丝杆机构代替传统腿部结构,并在腰部设有转动模块,能更好地实现人机协同。采用拉格朗日方法建立下肢外骨骼动力学模型,并计算了理论转矩;构建了下肢康复外骨骼模型,利用Ansys和Adams软件分别进行了有限元仿真和外骨骼运动学/动力学仿真。结果验证了结构设计的合理性,为后续下肢外骨骼制造与电动机选型提供了依据。     

下肢外骨骼助力机器人的设计与跟随控制研究

下肢外骨骼是一种平行穿戴于人体下肢外侧的装置,为了应对人体康复训练等问题,对下肢外骨骼进行基本结构设计。将人体下肢步态周期分为单腿支撑和双腿支撑两种行走模式,分别进行了下肢外骨骼的动力学理论计算,计算出关节力矩。设计了外骨骼PD闭环控制系统,并基于外骨骼动力学模型对控制系统进行仿真试验,验证了算法和动力学模型满足实验需求。同时也通过下肢外骨骼样机实验验证了下肢外骨骼具有较好的跟随效果,证明了设计机构的合理性,达到助力和机构设计的初始目的,为后期研究下肢外骨骼的运动控制提供了数据支持与理论基础。     

基于步态的下肢康复用外骨骼机器人运动分析

穿戴式下肢助行外骨骼机器人是一种能够帮助行走不便的老人和具有行走功能障碍的患者进行辅助行走的仿人服务机器人,其康复训练设备已提升为国家战略性研究项目,越来越得到重视。通过对人体下肢运动机理以及步态的研究,并基于动力学仿真软件Adams对外骨骼机器人的受力和步态进行仿真分析,验证步态的合理性,同时对以后行走的合理性提供依据以及为进一步设计出一种新型穿戴式下肢助行外骨骼机器人样机提供参考。     

基于人行走能耗分析的踝关节外骨骼设计

基于对人体行走的能耗分析,设计了一种新型有源无动力踝关节外骨骼。首先,基于耦合摆模型建立人体行走摆动相动力学方程并采用打靶法求解。根据动量守恒原理分别计算摆动腿膝关节锁定、脚跟着地以及关节摩擦引起的能耗率。计算结果表明,脚跟着地引起的能耗率远大于膝关节锁定和关节摩擦引起的能耗率。然后,基于该能耗分析结果设计了一种足底弹性储能机构将脚跟着地时的能耗存储起来,在跖屈蹬地阶段释放助力。通过前脚掌压力信号控制电磁铁驱动的离合机构,实现对助力弹簧夹紧与释放的状态切换。样机实验结果表明：足底储能机构可以提高外骨骼的输出力矩和功率,提升助行能力;外骨骼的最大输出力矩为19N·m;穿戴该外骨骼行走时小腿三头肌激活度相较于不穿戴时最大下降约8.6%。踝关节角度测量结果表明,在摆动相期间外骨骼很少干扰穿戴者踝关节的正常活动。     

外骨骼机器人系统中人体下肢关节力矩动态解算

利用下肢外骨骼关节位移传感器及惯性导航单元采集人体运动信息,计算获得下肢髋、膝关节的相对角度以及躯干的姿态和加速度,通过动力学逆解实时解算穿戴者运动所需的关节驱动力矩。在此过程中,利用人体五杆模型,对人体下肢的运动进行了运动学和动力学分析,通过Matlab/Simulink软件编程求解,得到了人体下肢关节在连续步态周期内关节力矩的变化,通过对比计算获得的支撑踝关节力矩值与足底力传感器实测值,证明了关节力矩求解方法的正确性,保障了外骨骼机器人能够根据此力矩对穿戴者提供助力。     

可穿戴膝关节外骨骼结构设计与运动分析

机械外骨骼是模仿生物界外骨骼研发的一种新型机电装置。设计了一款可穿戴式柔性膝关节外骨骼,采用人体下肢5杆简化模型进行运动学和动力学分析。通过Matlab/Simulink仿真分析,所得的膝关节角度变化曲线与CGA标准曲线基本一致,验证了数学模型的正确性;通过ADAMS动态仿真,模型能正常行走,验证了驱动函数的正确性,所得的膝关节力矩变化曲线,为后面的控制做准备。研制了相关样机,通过穿外骨骼和不穿外骨骼进行对比试验,观察膝关节角度的变化情况,验证该机构的合理性。     

下肢步行助力外骨骼机器人的模糊自适应PID控制

针对人体生物学特点及户外步行助行要求,设计了一款下肢步行助力外骨骼机器人。为实现外骨骼机器人对人体下肢助力柔顺性目标,研究并提出了模糊自适应PID控制方法。在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型,比较外骨骼关节力矩控制分别采用传统PID及模糊自适应PID控制算法的跟随效果。由仿真和试验结果可知,模糊自适应PID算法相较于经典PID算法具有响应速度快、超调量小等优点。模糊自适应PID算法对关节力矩跟踪效果有明显改善。在步态周期30%～40%时,误差最大;在步态周期15%～20%时,误差最小,为0.5 N·m。模糊自适应PID算法力矩跟踪曲线更加平滑,与参考输入幅值更为接近,支撑相最大误差为7%,且可以有效抑制外骨骼助力行走过程中带来的关节抖动。力矩跟踪能够达到理想的跟随效果,能够使得不同穿戴者的髋关节助力更加柔顺。     

基于重力势能锁止的被动式下肢外骨骼参数优化

设计了一款基于重力势能锁止的被动式下肢外骨骼,将人体行走过程中多余的重力势能通过弹簧机构转换为行走过程的动能。为了使外骨骼能够更精准地模拟人体行走过程,达到最佳助力效果,通过使用ADAMS软件进行动力学仿真,与正常人体行走数据匹配,优化弹簧的参数,获得了最佳的助力性能。最终得到最佳的弹簧参数组合为L=120 mm,k=7 N/mm,此参数组合的情况下与人体正常行走参数可达到最佳的匹配度。     

可穿戴型下肢外骨骼助力机器人设计与研究

为拓展人体下肢关节机能,完成特定环境下的人机协同作业任务,介绍了一种可穿戴型下肢外骨骼助力机器人。在研究人体行走特点和下肢助力需求基础上,实现了外骨骼的机械结构设计与建模计算,针对外骨骼作业特点设计了电液伺服助力系统;通过虚拟样机运动仿真与外骨骼行走实验,匹配了驱动器与外骨骼的运动范围并优化,通过外骨骼辅助人体辅助站立实验验证了外骨骼与人体下肢运动范围匹配性及助力效果等,实验结果表明外骨骼助力机器人设计可行。     

面向人体运动需求的人机闭链下肢康复外骨骼设计

患者进行康复训练时,外骨骼需满足人体康复训练需求,并保证人体各关节具有确切的运动.针对传统外骨骼髋关节自由度低及人机协调运动时产生运动偏差问题,提出一种含髋关节6连杆机构的下肢外骨骼,并对其人机接口进行优化设计,建立了人机闭链外骨骼优化模型.通过建立外骨骼单侧腿运动学模型,求解其运动学正解、反解、运动空间并检验外骨骼人机相容性,运用ADAMS软件对人体-外骨骼传统模型和优化模型进行了运动学仿真与分析.结果 表明:外骨骼末端运动空间包含人体末端运动轨迹;人体各关节运动曲线与理论期望曲线运动趋势基本相同,优化后的外骨骼明显减小人机运动偏差.研究表明,优化外骨骼有助于更精准控制下肢各关节运动,补偿人体各关节的运动偏差,证明人机闭链外骨骼设计的合理性.     

一种柔性下肢外骨骼控制策略研究

针对非线性柔性下肢外骨骼系统与人共融的难题,为降低穿戴者代谢能消耗,采用前馈模型与比例微分控制(PD)迭代学习算法构建柔性下肢外骨骼控制器,通过感知髋关节角度最大值为起始点,对步态周期进行划分计算。根据髋关节角度变化,实时生成期望力轨迹,动态调控力轨迹的峰值点和结束点;前馈模型分别补偿了柔性外骨骼的非线性刚度和不同穿戴者的运动模型,PD迭代学习控制器逐步减少控制系统中的误差与干扰。通过3名健康的试验者负重25 kg在跑步机上以5 km/h速度行走进行测试,结果表明,期望力与实际助力峰值的均方根误差分别为3.49,3.34和4.12 N;与不穿戴柔性外骨骼相比,代谢能分别降低2.2%,4.0%和5.9%。实验结果证明,所提出的前馈PD迭代学习控制策略可实现精确的力轨迹追踪,降低柔性下肢外骨骼穿戴者的能量消耗。     

基于虚拟样机技术的外骨骼助力搬运机器人结构设计与仿真研究

针对现有外骨骼助力搬运机器人结构复杂、价格昂贵的问题,对外骨骼助力搬运机器人虚拟样机技术的结构设计、运动学与控制仿真展开了研究。设计了一款结构相对简单,在人体弯腰搬运重物时对人体腰部提供助力,且肘关节设计为自锁机构的可穿戴全身外骨骼助力搬运机器人;通过对外骨骼下肢运动学模型建立了D-H坐标,进行了正逆运动学分析;利用虚拟样机技术,采用人体步态行走时所采集的实验数据,对外骨骼助力搬运机器人进行了步态运动的仿真分析与联合控制仿真。研究结果表明:所设计的外骨骼助力搬运机器人的步态仿真运动与人体的实际数据相符,验证了所设计结构的稳定性与可靠性。     

携行式外骨骼下肢运动学分析与仿真

携行式外骨骼作为一种有效的人机耦合方式,能够为人体负重运动提供必要的支撑和辅助。下肢结构作为整个系统的核心组成,其运动轨迹的实现情况将会直接影响外骨骼穿戴舒适性和运动协调性。从运动学角度出发,对外骨骼下肢结构及自由度和动态稳定性进行了分析,利用坐标变换和D-H方法建立外骨骼下肢运动模型并实现下肢运动轨迹规划。利用Solidworks建立了外骨骼三维模型,将其导入Adams中构建虚拟样机模型进行运动学仿真。仿真结果验证了运动学模型及推导公式的正确性,为进一步研究携行式外骨骼打下了理论基础。     

基于ADAMS的助力型外骨骼特征动作驱动液压缸运动学研究

以助力型外骨骼为研究对象,以建立助力型外骨骼运动学模型以及分析外骨骼运动学特性为研究目标,以运动生物力学为基础,选择单膝下跪-起立动作为特征动作,采用多层次光学捕捉系统采集人体运动数据,采用多波峰(波谷)最小二乘法进行数据拟合,得到人体运动时特征角度的数学模型。助力型外骨骼在完成动作时需要与人体高度偕行,因此将特征角度的数学模型运用到助力型外骨骼中,建立外骨骼三维模型,在ADAMS软件中完成外骨骼特征动作仿真,以此来分析外骨骼运动学特性。