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。     

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。     

面向下肢助力外骨骼的脚底测力系统研究

要实现下肢助力外骨骼机械腿对穿戴者的运动跟随及有效助力,通过检测穿戴者脚底力变化信息进行运动意图识别是非常关键的环节。针对下肢助力外骨骼机器人的控制需求,提出了一种鞋垫式脚底测力系统。进行了脚底测力系统本体设计及传感器信号调理电路的设计,并进行了脚底测力系统的实验研究。设计出的脚底测力系统应用于下肢助力外骨骼机械腿控制中,实验结果表明,脚底测力系统检测出的足底压力变化信息能很好的实现外骨骼机械腿的控制。     

膝关节康复机械腿的摆动控制研究

针对膝关节康复外骨骼的摆动训练需求,对外骨骼机械腿的人机交互控制策略进行了研究,并对现有下肢康复外骨骼的控制策略进行了归纳,提出了一种基于导纳原理的等效惯量补偿控制方法。首先,根据人体膝关节康复训练具有周期重复性的特点,在等效惯量补偿控制方法中引入自适应频率振荡器,从而在穿戴者摆腿运动中获取了稳定的频率及相位运动模式信息;然后,对穿戴者的下肢关节力矩进行了估计,生成了一个同周期的助力力矩,且在相位上和穿戴者下肢的肌肉力矩趋于同步;最后,对膝关节外骨骼机械腿进行了补偿控制及先慢-后快-再变慢的运动控制实验研究。研究结果表明:外骨骼机械腿能模拟康复运动所需模式,并拥有良好的摆动效果。     

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。     

步行康复训练机器人协调控制的研究

为了实现步行康复训练机器人的协调控制,对外骨骼助行腿与跑步机的协调控制以及减重支撑系统与外骨骼助行腿的协调控制,提出了协调控制方法。最后用假人代替真实患者通过实验验证了外骨骼助行腿、跑步机和减重支撑系统之间的协调控制效果。实验结果表明,步行康复训练机器人能够很好的对假人进行减重步行康复训练,外骨骼助行腿、跑步机和减重支撑系统很好地实现了协调控制,同时为进一步对真实患者进行实验研究奠定了很好的基础。     

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。     

行走助力型下肢外骨骼机器人的设计与控制

针对行走助力需求,通过对人体下肢结构与运动特征进行分析,采用模块化的方法设计了一款下肢助力外骨骼机器人。考虑不同场景穿戴者的运动特点,基于该系统设计了主动助力与随动跟踪 2 种控制模式。行走实验表明,该下肢外骨骼机器人既可以实现负重助行的功能,也能对目标关节轨迹进行快速的跟踪而不阻碍穿戴者的正常运动。     

下肢外骨骼伺服电机驱动控制方案设计

介绍了可穿戴式下肢外骨骼运动总体控制方案。针对人体髋关节和膝关节运动机理,采用了盘式伺服电机驱动二自由度下肢外骨骼模拟人体下肢摆腿运动控制技术来提高关节运动的响应性能,同时利用4个三维力传感器分别测量人大腿和小腿与外骨骼相互作用力,可用于外骨骼“人主机辅”控制模式算法设计中。在外骨骼2个关节处利用编码器获得关节角度、角速度信息既可用于外骨骼拉格朗日模型参数辨识,也可以作为反馈控制信号用于外骨骼“机主人辅”控制模式中。下位机采用LabVIEW驱动NI主控器实现信号传输与控制,上位机采用MATLAB/Simulink环境设计反馈控制算法与下位机进行实时通信,保证可穿戴式下肢外骨骼能够完成两种运动控制模式的目标,同时提高试穿员的可穿戴舒适性。     

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。     

虚拟外骨骼机构的仿真研究

可穿戴型下肢外骨骼机器人,也简称为助力腿,可以用来完成依靠人的自身能力无法单独完成的远行、负重、爬楼等任务。通过对人体下肢的骨骼结构和运动情况进行分析,设计了一套助力腿机构;通过建立三维立体模型,对机构运动情况进行模拟仿真研究,并与人体运动的实际情况进行对比。     

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。     

下肢外骨骼行走康复机器人研究与设计

外骨骼机器人是一种可穿戴在操作者身体外部的一种机械装置,提供保护、身体支撑和运动等功能。文中设计了一种外骨骼行走康复机器人,该外骨骼康复机器人单下肢具有3个自由度,利用较少却必须的自由度来实现行走,降低了机构的复杂程度,提高了装置的效率,借助此外骨骼辅助患者摆脱轮椅站立起来并行走,通过采集拐杖与地面的接触信息来控制膝关节和髋关节的屈伸运动,从而帮助患者实现跨步。     

可穿戴式的下肢助力机械外骨骼的结构设计

为了实现人的控制与机械力量之间的结合,使人在保留自身具备的各种优点的同时具备机械的力量、速度和耐力,更加完美地发挥人与机器的功用,设计了用于实现负荷行走功能的下肢助力机械外骨骼。基于人体下肢结构特征及行走的生物学特征,结合零点力矩理论进行分析,对机器人的结构进行简化,建立了外骨骼机器人的连杆模型,设计了相应的关节驱动,满足人体下肢基本行为动作。样机实验结果表明,此结构能够给不同体型的人穿戴,有效减轻人体负重负担。     

下肢外骨骼助力装置

提出了一种仿生的下肢外骨骼助力装置,依据人体的运动,为穿戴者提供辅助力。介绍了该拟人仿生助力机械腿的总体机械结构及相关的硬件电路控制方案,编制了相应的软件程序。实验证明,该助力装置能够帮助人减轻劳动强度。     

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。     

下肢外骨骼助力机器人关节驱动设计及试验分析

针对人体下肢关节特点与助行要求,设计了外骨骼机器人关节结构;通过ADAMS软件仿真,分析了外骨骼机器人水平助行过程中关节功率配置需求,根据关节需求设计了外骨骼电液伺服驱动系统;为满足外骨骼机器人对人体下肢关节助力及柔顺性要求,提出了基于关节误差估计的PID控制方法。详细介绍了外骨骼机器人下肢关节结构的运动形式与技术参数,优化配置了关节结构的运动范围与驱动行程,对该机器人进行了运动学分析并通过外骨骼的典型动作进行验证;划分了外骨骼助行过程中步态与关节驱动映射,给出误差估计与补偿PID控制的具体参数;分别从关节跟踪与助力功率的角度,量化分析、对比了基于关节误差估计与常规PID两种控制方法的助力指标参数。试验结果表明,所设计外骨骼关节与驱动系统可实现穿戴者助力行走;对比常规PID控制,抑制了关节驱动控制输出区间的不连续,改善了关节跟踪误差,提升了助力效果与柔顺性。     

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。     

下肢外骨骼运动预测方法研究

为实现下肢外骨骼无滞后跟随人体运动,提高穿戴者运动灵活度、舒适度,提出了一种基于多传感器并具有预测功能的人体运动识别方法.搭建了基于姿态角度传感器、足底压力传感器和编码器的运动感知系统,并提出了运动识别方案.为解决物理式传感器普遍存在的延迟问题,引入时间序列预测算法来减小甚至消除延迟.最后,通过穿戴下肢外骨骼样机进行平地行走试验,验证了该运动识别方法在感知人体与下肢外骨骼运动信息方面的有效性,该方法能够有效提高下肢外骨骼的人机运动协调性.