一种多功能下肢外骨骼机器人的设计与仿真分析

针对老年人以及下肢运动障碍患者的康复训练和运动代步的需求,设计了一种多功能下肢外骨骼机器人,利用辅助起立机构和腿部外骨骼实现对使用者下肢的康复训练。分别了建立外骨骼机器人单腿支撑阶段和双腿支撑阶段5杆模型,采用拉格朗日方法推导出动力学模型,计算各关节所需的理论力矩;建立虚拟样机模型进行动力学仿真,仿真数据与理论数据进行比较,验证了理论推导的准确性和外骨骼机器人设计的合理性,为后续电机选型提供了依据。     

基于插值时间相同的4-1-4样条插值的机器人轨迹规划

设计一种新型的5-DOF上肢外骨骼康复机器人,首先分析了该机器人的机械结构,基于D-H参数法建立了该机器人的D-H坐标,根据其坐标求出了其正,逆运动学方程。为了使病患的康复训练具有舒适性和平稳性,提出了一种基于相同时间插值点的用四次多项式过渡的线性插值函数,用来规划上肢外骨骼康复机器人的轨迹。最后进行了单个和多个关节的轨迹规划,并通过求出的正运动学方程和插值函数作出末端位移、速度和加速度的图像,并在Adams中对用1:1模型建立的上肢外骨骼康复机器人进行实体仿真,来验证此方法的正确性和可行性。通过对单关节和多关节轨迹规划参数的分析,然后将其结果与Adams中的仿真数据进行对比,证明了该方法的可行性和稳定性,可以被用在康复机器人的轨迹规划中。     

体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人系统

为辅助患肢进行自主康复训练,研制了一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人系统。设计了可穿戴式三自由度上肢康复机械臂,利用Kinect传感器提取人体6个骨骼关节点数据,计算所需控制参数,将健肢的体势动作转化为控制信号,控制机械臂带动患肢做镜像或同步运动康复训练。搭建了上肢外骨骼康复机器人系统实验平台,分别进行了单关节镜像控制和多关节联动同步控制穿戴实验,系统具有良好的体感控制随动性能,能满足上肢康复训练的要求。     

一种上肢康复机器人重力支撑装置的设计与试验研究

在上肢康复机器人的设计中,由于患者悬臂及机器人臂自身重力的影响需要较大驱动力矩的驱动电机,且电机驱动力矩波动较大。为了防止在康复训练过程中驱动力力矩过大对患者造成的肌肉拉伤、脱臼等二次伤害,提出了一种运用气弹簧和拉簧相结合来部分抵消机器人及患者上肢重力的重力支撑装置。设计了支撑装置的运动机构。通过分析表明该装置可以有效地减小电机驱动力矩。最后,运用Pro/E对重力支撑装置进行了实体建模,导入ADAMS/View中做动力学仿真,得到了有支撑装置和无支撑装置情况下机器人主要关节驱动力矩的变化曲线;结合试验获得的驱动力矩的变化曲线,验证了该装置的应用使机器人驱动力矩的极值减小了50%以上。     

上肢康复机器人发展现状的分析与研究

首先对上肢康复机器人的现状及发展进行了阐述,分析了当前康复机器人系统所存在的不足,并结合临床康复医学理论及临床康复经验对上肢康复机器人的结构、训练模式、评价方法及应用细节提出了建议.在此基础上提出了一种应用于偏瘫患者康复训练的外骨骼式上肢康复训练机器人,针对现有不足及提出的建议对该机器人进行了设计与实现.     

上肢康复机器人关键技术研究进展

上肢运动功能的丧失或减弱严重降低患者生活质量,机器人助力康复训练技术能有效地促进患者上肢运动功能的恢复.本文对上肢康复机器人现状进行了文献追踪研究,将上肢康复机器人分为外骨骼式和末端牵引式两大类,并围绕各自的结构、驱动形式、人机交互性、控制策略、训练模式、适用关节等多项技术进行总结对比,提出了上肢康复机器人在医、工结合中存在的关键问题和技术方案,并讨论了上肢康复机器人的技术发展趋势,可为相关研究提供方向借鉴.     

2自由度手臂康复机器人运动学及动力学分析

针对上肢康复训练需求,设计一种采用二连杆串联结构的2自由度手臂康复机器人。基于D-H法对机器人的正、逆运动学进行理论分析,采用Matlab/Simulink和SimMechanics工具箱分别搭建机器人的正逆运动学理论模型与机构模型进行仿真对比,分析结果验证了机器人运动学建模的正确性。结合人体工程学相关标准和手臂关节运动范围要求,建立机器人与手臂机构的联合仿真模型,确定机器人的工作空间;并完成机器人进行画圆训练的轨迹规划,为机器人运动控制奠定了基础。基于联立约束法建立机器人的动力学模型,确定了机器人各关节驱动力矩大小,为驱动电机选取和控制器参数选择提供了依据。     

下肢康复机器人的结构设计与动力学分析

针对下肢运动损伤患者的康复需求,提出一种新型下肢外骨骼康复训练器,根据康复评定学中RLA分期法对人体正常步态的描述和人机工程学理论中的人体下肢尺寸及关节特点,对被动康复训练器的机构进行设计;使用SolidWorks建立三维样机模型,制造实物样机;并且建立运动学及动力学模型;通过Matlab仿真分析特出关节运动变化曲线,验证数学模型的正确性;并且通过ADAMS软件进行动力学仿真,验证模型的正常行走步态,并且得出关节角速度,关节角动量,关节力矩等变化曲线。然后分别选取RLA八分法中8个关键时期点的数据,将理论计算和模拟仿真的结果进行比较,分析误差原因。验证了运动模型的正确性,为驱动控制提供参考依据。     

一种下肢外骨骼助行康复机器人及康复评价方法

针对下肢瘫痪患者的康复训练需求,设计了一种下肢外骨骼助行康复机器人。描述了外骨骼机器人的机械结构。设计了基于关节角位移的闭环控制系统,将VICON运动捕捉系统采集的正常人体下肢运动关节角作为参考输入信息,控制受试者穿戴外骨骼进行行走、上下台阶动作。完成系统调试后,采用VICON运动捕捉系统捕捉受试者在该控制系统下的步态,并与正常人体步态作对比,验证了控制算法的正确性。定义了下肢康复评价标准RMP,使用设计的外骨骼康复机器人进行患者跟踪康复训练实验,验证了助行康复机器人的有效性。     

助力型外骨骼行走模式下多关节动力分配仿真分析

助力型外骨骼是一种人机高度结合的复杂机械结构。为了研究外骨骼在行走模式下负重50 kg时各关节所需驱动力矩以及功率变化规律,本文以西南交通大学第三代助力型外骨骼为研究对象,建立外骨骼模型,运用拉格朗日方程对外骨骼进行动力学分析。为实现外骨骼与人体的携行运动,通过姿态传感器对人体行走过程中关节角的变化规律进行了测量与分析,并将其作为驱动函数对ADAMS环境中的外骨骼虚拟样机进行动力学仿真,得出各关节驱动力矩变化曲线,并拟合出各关节功率曲线。所得结果增加了人机携行性以及结果的可靠性,为助力型外骨骼的驱动控制提供了参考依据。     

外骨骼型下肢康复机器人结构设计与动力学分析

针对当前下肢瘫患者众多而康复师和智能化康复设备短缺的状况,设计出多关节、坐/卧式下肢康复机器人。该机器人包括一个靠背角度可自动调节的座椅和两条外骨骼型机械腿,可适应不同身高和胖瘦的患者。详细介绍了该机器人的结构及功能,包括机器人的技术参数;机械腿髋、膝、踝三个关节及足部的结构和驱动方式;大腿和小腿长度调节机构;关节旋转角度的三重安全保护措施;电测、电控硬件的布置。建立人/机一体化模型,对机器人的运动学和动力学进行理论分析,并结合ADAMS软件进行运动学和动力学仿真;临床试验表明该机器人设计方案的可行性、安全性,并验证计算和仿真结果的正确性,但是其疗效还需要进一步验证。最后分析关节力矩产生测量误差的主要原因。     

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。     

一种混联式上肢康复外骨骼结构设计与分析

针对现有上肢外骨骼存在的精度、稳定性与外骨骼体积之间的平衡问题,提出了一种8自由度的混联式上肢康复外骨骼机器人;设计了一种新型的2自由度肘部康复装置,代替传统的单自由度肘部外骨骼,旨在更好地实现上肢运动障碍患者的肘部训练;设计了一种共轴球面的3RRR/S机构,用于手部康复,可使手部的康复训练更具包裹性。根据混联外骨骼机构确立坐标系,使用矢量环路法建立机构刚体部分的运动学模型,并通过蒙特卡洛法绘制机构工作空间云图,验证其满足康复训练所需空间要求。最后,通过Matlab对一典型运动进行轨迹规划,在Adams获得末端质心运动平稳轨迹,验证了其运动学分析和结构设计的合理性;并通过约束多余自由度仿真其最大负载姿态,绘制其负载特性曲线,为驱动选取和样机搭建奠定基础。     

一种新型7自由度上肢康复外骨骼机器人的结构设计和运动学仿真

针对现有的康复机器人在上肢重度偏瘫患者被动康复训练中存在的问题,提出了一种新型的7自由度上肢外骨骼机器人;设计了一种新型手部固定装置代替传统外骨骼的握把,可更好地实现重度偏瘫患者的腕部训练.根据外骨骼模型,使用Matlab建立了Denavit-Hartenberg(D-H)坐标系,对其工作空间进行仿真,验证了其工作空间...     

具有关节力矩反馈的上肢康复机器人设计

康复机器人关节的驱动方式和结构设计对控制性能和成本影响较大。提出并验证一种具有低成本、结构紧凑特点和关节动态力矩检测功能的机械设计,并此基础上设计了一款简洁的轻质可穿戴双侧四自由度上肢外骨骼。为了验证驱动关节和整体外骨骼设计的有效性,对其结构设计进行了阐述,并对其分别进行了运动学和动力学建模,通过Matlab对终端活动范围进行了仿真,并对样机的单关节和整体性能进行了测试,实验数据显示这种驱动关节和康复机器人设计表现出较好的控制性能,有良好的研究前景。     

气动人工肌肉外骨骼机器人位置跟踪控制

针对以气动人工肌肉作为关节驱动器的外骨骼机器人关节位置跟踪控制问题进行了研究。首先,在动力学模型的基础上,设计了上层控制器,并结合自适应控制和滑模控制方法降低了动力学参数不准确和扰动项未知对外骨骼机器人的影响;其次,基于无模型方法设计了底层关节力矩控制器,调整外骨骼机器人的关节力矩;最后,针对上述控制方案设计仿真实验与外骨骼机器人的穿戴实验。结果表明,该控制方法对气动人工肌肉外骨骼机器人的关节位置跟踪控制是有效的。     

自调节式手腕康复外骨骼机构设计与相容性分析

针对在设计手腕康复外骨骼机构过程中的机构构型问题,参照人体腕关节运动学属性,采用高等空间机构学理论对康复外骨骼机构进行了构型设计,并通过力学分析遴选出了3RPPR型自调节式手腕康复外骨骼机构。该机构通过在人机接触面处引入2个被动移动副与1个被动转动副,缓解了康复运动中产生的人体轴向与训练无关的约束力与力矩,从而实现了人机相容性;同时,采用人机闭链运动学建立了约束方程,使用MATLAB计算,并表示出了人体腕关节与康复机构各被动关节位置的对应关系;最后,对该机构进行了人机相容性分析。研究结果表明:引入的2个被动移动副与1个被动转动副的运动幅度均较大,有效缓解手腕康复训练中人机接触处产生的人体轴向与训练无关的约束力与力矩,该康复外骨骼机构满足人体腕关节康复的需求。     

助力下肢外骨骼双膝蹲-起立过程动力学研究

为研究助力下肢外骨骼双膝蹲-起立过程中各关节的驱动力矩,将助力下肢外骨骼视为三自由度的刚性结构系统,建立动力学模型。以达朗贝尔定理推导出双膝蹲-起立过程动力学表达式。为实现助力下肢外骨骼与人体高度偕行,对人体双膝蹲-起立运动过程进行实验分析,以MATLAB为平台分别对负重40kg和无负重下肢外骨骼各关节驱动力矩进行数值计算。根据分析结果得,膝关节在负重40kg时驱动力矩最大,峰值为209.20N·m,平均为75.85N·m;髋、踝关节驱动力矩相对较小,工作能耗低,在无负重状态下仍需9.87N·m和38.80N·m的驱动力矩,能量损失较多;踝关节为保持稳定性导致有较大波动。     

基于小驱动力矩函数驱动的多足步行机器人轨迹规划问题研究

在研究轨迹规划中,用小驱动力矩函数控制机器人的质心运动,降低机器人关节的驱动电机的功率问题。文中首先对相关理论进行了描述,根据多足步行机器人的运动关系导出机器人的质心运动规律与关节驱动变化在能耗上的联系,并利用泛函理论导出小驱动力矩函数。在机器人ZQROT-I运行直线步态过程中,采用该函数控制机器人质心的运动,利用ADAMS对机器人的运动性能进行了分析,并将结果与机器人轨迹控制中采用其他函数的运行结果进行了对比分析。结果表明,采用小驱动力矩函数控制机器人的质心轨迹运动,在节省机器人运行能耗方面有一定的作用。     

上肢康复外骨骼的设计与人机相容性分析

对于上肢运动障碍的脑卒中患者,上肢康复外骨骼是弥补人工康复训练不足、降低医师工作强度的关键设备。针对盂肱关节的瞬变转心属性,采用高等机构学理论,对上肢康复外骨骼进行构型综合,综合出多种肩关节环链Θs和肘前臂环链Θef构型组合,基于构型优选原则,遴选出人机相容性较好的兼容型外骨骼构型。在此基础上,设计并研制含重力平衡系统的上肢康复外骨骼Co-Exos,将弹性元件引入被动滑动副,以改善引入被动关节而产生的不确定性和运动协同性。基于盂肱关节的运动学模型,建立了肩关节环链Θs的人机相容性模型,同时,提出一种追踪和补偿盂肱关节竖直方向位移的方法,将外骨骼Co-Exos与上臂简化为变杆长的导杆机构,推导出被动副的运动学模型。搭建人机相容性试验平台,测量人体上肢在抬升过程中被动副的位移曲线,通过与被动副的理论位移曲线对比可知,肩关节环链Θs和兼容型人机闭链均可补偿与追踪盂肱关节大部分空间位移变化,尤其对竖直方向位移补偿效果最佳,因此,外骨骼Co-Exos与人体上肢具有较好的人机相容性。