老年人外骨骼机器人斜坡行走的运动学分析

利用Motion Analysis三维动作捕捉分析系统,记录了老年人穿戴外骨骼助行机器人在20°斜坡行走的步态数据,建立了运动学耦合模型,分析了老年人穿戴外骨骼助行机器人斜坡行走的运动特性。研究结果表明,老年人穿戴外骨骼助行机器人上斜坡时,髋关节的运动范围为5.5°~59.5°,膝关节的运动范围为7.2°~68.2°,踝关节的运动范围为10.4°~32.4°,外骨骼助行机器人的踝关节始终处于背屈状态;老年人穿戴外骨骼助行机器人下斜坡时,髋关节的运动范围为10.1°~30.1°,膝关节的运动范围为9.3°~75.3°,踝关节的运动范围为-8.8°~19.8°,外骨骼助行机器人的踝关节处于背屈和跖屈交替变换的状态,为提高老年人与外骨骼助行机器人在斜坡行走的运动性能提供运动学依据。     

基于傅里叶级数的踝关节运动模型研究

对人体下肢运动模型的研究是外骨骼机器人驱动和控制系统的核心内容之一,针对利用分段函数拟合踝关节运动模型时存在拟合过程复杂、模型高阶求导之后不连续等缺点,采用傅里叶级数拟合法建立踝关节在矢状面内平地行走运动模型,通过该方法获得的踝关节运动模型具有简洁、准确、无冲击等特点,而且该运动模型还具有高阶连续性和可导性。最后,通过实验验证该模型可以描述健康人体平地常速行走时踝关节运动特征;同时通过ADAMAS进行运动仿真,验证其用于外骨骼机器人的踝关节驱动的正确性。该运动模型研究为研究健康人体正常行走时踝关节运动特征提供了重要的理论依据,并为外骨骼机器人踝关节的驱动和控制提供了参考模型。     

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。     

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。     

下肢外骨骼机器人人机约束模型建立及分析

设计了一种下肢助力外骨骼机器人,建立了人体下肢与外骨骼机器人的人机系统模型,提出两种人机约束方案,并建立了D－H坐标系,根据同一约束点在不同坐标系变换后相对于原点距离不变的原理,建立了各人机约束方案的约束方程,从理论上分析了下肢外骨骼机器人对人体运动的跟随效果。分析结果表明,通过这种方法可以得到不同约束情况下下肢外骨骼机器人对人体运动的跟随情况,合理设计人机约束方案,能够实现下肢外骨骼机器人对人体运动的同步跟随。     

矿用外骨骼机器人的稳定性研究

稳定行走是外骨骼机器人研究的一个关键问题，也是实现其他功能的根本前提。基于人体步态研究和双足机器人ZMP（零力矩点）理论，推导出ZMP的计算公式；通过Adams软件仿真和外骨骼穿戴实验得出平地行走、越障两个特征动作下的人体和外骨骼人-机系统的ZMP轨迹；分别对比同一动作下的人体和外骨骼人-机系统的稳定裕度研究外骨骼人-机系统的稳定性。仿真和实验结果表明：外骨骼人-机系统稳定裕度较人体差，但完全可以满足平地行走、越障两个动作的稳定性要求。     

下肢康复外骨骼机器人结构拟人设计与运动学分析

下肢康复外骨骼机器人是一种可以辅助脑卒中导致运动功能障碍患者肢体运动和康复训练的机器人。基于人体下肢生物力学特点,提出了下肢外骨骼机器人设计方案,研究了下肢康复外骨骼机器人的机构设计原理及过程。针对外骨骼髋关节的关键零件设计进行详细阐述,研究了准拟人化设计的比例参数,使用了拓扑优化方法对膝关节电机架进行轻量化设计。基于D-H法分析了外骨骼机构的运动学关系,得到坐标转换矩阵。通过ADAMS软件进行运动学仿真,验证了运动学分析的可靠性。     

人机相容型肩关节康复外骨骼机构的运动学与灵活性分析

针对人体肩关节运动障碍的康复训练需求,提出一种3R-PU型串联肩关节康复外骨骼机构,可以实现肩关节的内收/外展、前屈/后伸和内旋/外旋运动。通过在人机界面引入被动关节P和U,使外骨骼机构与上臂形成的人机闭链转化为3-DOF运动学恰约束系统,实现外骨骼机构与人体上臂的运动学相容。基于人体肩部各关节间的运动耦合分析,得到盂肱关节转心(Center of glenohumeral,CGH)在上臂抬升过程中相对于胸骨的位置变化关系。通过建立人机闭链的运动学模型,并进行位置逆解析,得到外骨骼机构各运动副的角位移变化曲线;同时,推导了人机闭链的速度雅可比矩阵,进行了运动灵活性分析。结果表明:被动关节P和U的运动幅度均较大,引入被动关节有益于解除人机界面处的运动约束,进而降低人机之间的约束强度;当上臂在0°、45°、90°和135°抬升面内运动时,外骨骼机构具有较好的运动灵活性。研究结果为外骨骼机构的运动规划与控制提供了分析依据。     

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.     

人体下肢康复外骨骼机器人仿真分析与实验

为了加快人体下肢损伤的康复速度,防止下肢瘫痪者肌肉萎缩,设计了一个高效实用的下肢康复外骨骼机器人。通过研究人体运动机理以及收集人体各关节运动数据,以舒适、高效及适宜不同体型人群为目标建立外骨骼的3D模型,并推导出下肢外骨骼的D-H数学模型公式,建立髋关节,膝关节,踝关节的位姿坐标方程。以ADAMS软件为基础进一步对外骨骼机器人进行关节受力和步态合理性仿真,为实物的搭建提供可行性依据。最后搭建样机实验平台验证外骨骼设计的合理性。     

下肢外骨骼康复机器人动力学分析与仿真

下肢外骨骼康复机器人动力学模型的准确建立,是实现机器人精确控制的前提条件。文中将下肢外骨骼机器人简化为7杆模型,并将下肢运动周期划分为单腿支撑和双腿支撑两个阶段,采用拉格朗日方法建立外骨骼康复机器人系统的整体动力学模型。通过人体下肢运动的实时动作捕捉及其运动轨迹的数据分析,得到人体正常行走时的关节运动规律,推导出各个关节所需的驱动力矩。利用SolidWorks建立机器人三维简化模型并导入ADAMS软件进行动力学仿真,验证了理论推导的准确性,为机器人电机的选型和控制系统的设计提供了理论依据。     

负重外骨骼机器人的设计及其运动学动力学仿真

介绍了人体下肢骨骼结构以及人体步态数据,并在此基础上创建了下肢外骨骼机器人的零件模型及其装配体模型,然后将装配体模型导入到MSC.ADAMS软件中,进行运动学和动力学仿真。仿真结果表明:该外骨骼机器人结构合理,能够保证机构运动的灵活性与穿着舒适性;其次是动力学仿真结果反映了外骨骼机器人各关节处所受载荷的变化规律。     

下肢外骨骼助力机器人本体结构设计与运动学分析

下肢外骨骼助力机器人是一种可以拓展人体关节机能,并可在特殊环境下作业的人机共融型机器人。基于人体下肢生物力学特点,阐述了下肢外骨骼助力机器人的机构设计原理及过程,分析了外骨骼机构的运动学关系,通过ADAMS匹配外骨骼与关节驱动范围并进行了机构优化,可以完成人体的代表性深蹲动作,为外骨骼助力行走留有较大的关节运动裕量,虚拟样机联合仿真也验证了外骨骼助力机器人的设计可行性。     

外骨骼助行机器人的人机耦合运动特性

利用Motion Analysis三维动作捕捉分析系统,实时记录人体在平地行走的运动过程,获得了步态参数,通过分组对比,研究了老年人的行走特点。根据老年人的运动特性,设计了一种老年人外骨骼助行机器人,建立了穿戴者与外骨骼助行机器人的人机耦合模型,研究了人机耦合运动特性,为外骨骼助行机器人的耦合仿生设计提供了运动学基础。     

下肢外骨骼机器人人机腿部约束分析

外骨骼机器人摆动态由人体带动,为得到人机腿部约束设计准则,首先,对人机摆动态建立动力学模型,基于人机间作用力最小原则及人机工程学理论确定腿部绑带位置和绑带形状。其次,通过adams对尼龙材料的绑带结构带动外骨骼机器人进行随动性能仿真分析,仿真结果表明,外骨骼机器人的运动基本与人体运动一致。最后,对原理样机的人机腿部作用力进行实验检测,并与理论计算进行对比,验证外骨骼机器人摆动态由人体带动符合人机工程学原理。     

仿人形爬坡机器人的设计及分析

仿生爬坡机器人是集机构、驱动、控制、传感等核心部件为一体的综合开发平台。仿人机器人的设计研究,将促进机械机构智能技术的发展。为了保证机器人在小坡度(10°~20°)的稳定行走,并实现自主判断坡度及寻迹,需要对各学科问题进行综合归纳。针对设计要求,完成了对机器人机械结构的理论分析,并实现了三维建模;通过对人体运动形式的分析,对机器人的运动进行了步态规划;最后对运动的实现进行控制分析。     

基于ZMP理论的下肢外骨骼机器人稳定性分析

下肢外骨骼机器人带动人体下肢来完成行走、站立等动作,此过程的人机交互很密切.在人行走、站立等过程中,随着不稳定因素的产生,会使外骨骼机器人带动人体发生倾倒情况.针对所存在的问题,以ZMP理论为依据,对下肢外骨骼机器人的稳定性进行分析,通过仿真分析最终给出符合下肢外骨骼机器人的稳定性判据.     

上肢助力外骨骼研究综述

简述了在当前疫情灾情多发、劳动力资源短缺的情况下开发上肢助力外骨骼的重要意义，介绍了外骨骼的发展历程、分类方式以及上肢助力外骨骼的特点、适用人群、应用场景等。详细介绍了国内外上肢助力外骨骼相关研究成果和产品，包括其基本构造以及评估实验结果，并对其中的关键技术（如驱动和传动、人机交互中所涉及的人体运动意图识别、人机协同运动等）进行了阐述和分析。总结了当前研究中仍存在的问题，并对上肢助力外骨骼未来的发展趋势进行了展望。     

基于振荡器的助行外骨骼跟随助力控制研究

针对外骨骼机器人在辅助人体步行过程中存在的人机交互不协调问题,对人体运动意图识别方法以及外骨骼关节助力矩柔顺性控制进行了研究。通过分析人体正常步行过程中步态特征,提出了基于振荡器相角的运动意图识别方法;分别利用仿真计算和实验平台试验,对基于振荡器相角的外骨骼步行跟随助力控制原理及性能进行了验证,同时在实验平台验证了解决初始零位自动补偿和静止状态防抖的相应算法;进行了5名实验对象参与的助行外骨骼样机10 m步行试验。研究结果表明:穿戴助行外骨骼步行相比自由步行,平均步行速度提高了20.16%,且实验对象反馈外骨骼助力无突然的跳变或抖动;基于相角振荡器的助行外骨骼跟随助力控制,不但能准确适应人体行走步幅步速,而且能有效提供柔顺的髋关节助力矩,实现顺畅的自然步行。     

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。