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。     

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。     

无动力外骨骼助力机器人研究进展

无动力外骨骼助力机器人具有无能耗、成本低、使用便捷等优势,可广泛应用于工业制造、医疗康复等多个领域。系统阐述了无动力外骨骼助力机器人的定义与分类,介绍了助力原理;绘制了国内外典型无动力外骨骼助力机器人机构运动简图并简述了相应的结构原理;最后根据调研结果归纳了现阶段存在的不足、需要突破的关键技术等。对于无动力外骨骼助力机器人的研究与应用具有一定的参考价值。     

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。     

下肢动力外骨骼设计分析与实验

为有效解决下肢肌肉功能退化及中风偏瘫等疾病导致的老年人下肢运动功能障碍,从康复医学的角度,分析了康复运动对下肢功能障碍患者恢复的重要性,结合人体生理结构,建立了人体肌骨模型,进行了肌骨仿真分析。为了准确判断患者的运动意图,设计了3种外骨骼专用传感器。在此基础上,提出了力感知助力关节结构方案,并设计了下肢动力外骨骼整体结构,进行了人机耦合运动学仿真分析。在结构设计的基础上,设计了下肢外骨骼的硬件及电气系统。为了验证理论研究的正确性,加工了外骨骼实验样机,进行了相关实验。实验结果说明,设计的外骨骼专用传感器可以准确获取相应信号,助力关节可以提供较大的关节助力,设计的下肢动力外骨骼能够准确判断患者的运动意图,可以长时间稳定安全地进行平地行走及斜坡行走。     

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。     

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％.     

负重型下肢外骨骼液压动力单元的研究

助力外骨骼是以人为控制主体,机械结构为动力主体,人机高度耦合的复杂力随动系统。为了实现助力外骨骼长时间稳定可靠运行的目的,必须解决其动力单元的部分问题。基于外骨骼系统整体结构,着重于助力外骨骼的液压动力单元部分的研究。介绍负重外骨骼机器人的工作原理及其液压系统的组成,对人体步态进行分析,研究液压动力单元并进行样机实验。结果表明,负重型下肢外骨骼系统采用阀控液压系统,能够满足在负载 60 kg下完成人类基本的下肢运动动作,并且具有较好的人机耦合性。     

外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真

采用人机合一的下肢外骨骼助力装置,是未来单兵提高携行、机动能力的先进方式;而智能化的助力机械结构设计与合理的驱动选择布置,是确保外骨骼助力机器人可靠工作的关键。本文通过对人体结构与人体行走运动机理的分析,进行外骨骼机械结构的初步设计,并从电控、驱动及结构减重等方面进行考虑,对外骨骼机械结构进行优化设计,并获得三维模型。在此基础之上,进一步就机械结构的运动学仿真,通过对各关节的力矩分析,验证结构设计及驱动布置的合理性。     

主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人的设计与效能评估

针对上肢外骨骼机器人对使用者腰背产生过重负荷的问题,设计了一种主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人,利用无源下肢外骨骼来承担部分负荷。基于助力外骨骼应用场景和人体结构特征分析,建立外骨骼机器人的机械结构模型,完成运动学仿真分析,验证了模型的合理性。为解决外骨骼机器人效能评估问题,提出一种模糊综合评估模型,详细介绍了外骨骼机器人的效能评估方法,评估结果为性能良好。研制外骨骼机器人样机,搭建总体控制系统,开展助力性能和负重性能测试实验。实验结果表明,所设计的上下肢一体化助力外骨骼机器人可承受20 kg的负载且对穿戴者提供一定的助力效果。所提出的模糊综合评估模型,为外骨骼机器人的优化设计提供了方向和理论依据。     

An eight-degree-of-freedom upper extremity exoskeleton rehabilitation robot: design,optimization, and validation

Upper extremity exoskeleton rehabilitation robots can be used for the training of patients with upper extremity motor dysfunction. In most cases, the design of such robots focuses on the configuration and the human-machine compatibility. For patients, the use of an exoskeleton rehabilitation robot mainly aims to improve their movement ability, which depends on the range of movement of the upper extremity joints. This paper proposes an eight-degree-of-freedom (DOF) upper extremity exoskeleton rehabilitation robot to improve the movement range of the patient’s upper extremity joints. The structural parameters of the shoulder joint are optimized and analyzed by the kinematic equations of the mechanism and the cyclic iteration algorithm such that the movement range of the patient joint can be maximized. The movement space of the robot is then simulated. Finally, the movement range of the rehabilitation robot joints and the movement space of the rehabilitation robot were measured. Experimental results show that the upper extremity exoskeleton rehabilitation robot can meet the patient’s shoulder, elbow, and wrist movement range, and the overlap with the human upper extremity movement space is 97.1 % and 95.7 % in the coronal and sagittal planes, respectively.

     

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。     

上肢外骨骼机器人的阻抗控制与关节试验研究

外骨骼机器人穿戴于人体上,可以作为一种助力、增强或者交互的工具,应用于康复、遥操作等领域。针对上肢外骨骼机器人的人机交互控制问题,提出一种上肢外骨骼机器人的阻抗控制模型,并建立了一体化关节的动力学模型,详细设计了单关节的阻抗控制方法。基于外骨骼机器人在人机交互控制中的随动任务特性,设计了基于力的阻抗控制方法以及基于位置的阻抗控制方法。针对阻抗控制模型为二阶系统的特点,提出了阻抗控制参数优化分析的方法。建立了单关节阻抗控制的数值仿真模型,通过仿真试验分析了惯性参数、阻尼参数、刚度参数以及人机接触刚度对阻抗控制性能的影响。开展了单关节系统的阻抗控制硬件试验。试验结果表明单关节系统的触碰检测、重力补偿以及阻抗控制均可实现,并且操作者与关节系统可以实现协同运动。     

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。     

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。     

Review of human–robot coordination control for rehabilitation based on motor function evaluation

As a wearable and intelligent system, a lower limb exoskeleton rehabilitation robot can provide auxiliary rehabilitation training for patients with lower limb walking impairment/loss and address the existing problem of insufficient medical resources. One of the main elements of such a human–robot coupling system is a control system to ensure human–robot coordination. This review aims to summarise the development of human–robot coordination control and the associated research achievements and provide insight into the research challenges in promoting innovative design in such control systems. The patients’ functional disorders and clinical rehabilitation needs regarding lower limbs are analysed in detail, forming the basis for the human–robot coordination of lower limb rehabilitation robots. Then, human–robot coordination is discussed in terms of three aspects: modelling, perception and control. Based on the reviewed research, the demand for robotic rehabilitation, modelling for human–robot coupling systems with new structures and assessment methods with different etiologies based on multi-mode sensors are discussed in detail, suggesting development directions of human–robot coordination and providing a reference for relevant research.     

Design of general-purpose assistive exoskeleton robot controller for upper limbs

Journal of Mechanical Science and Technology - Though research and development on exoskeleton robots have been active recently, the results have limitations in terms of independence from robot...     

上肢外骨骼助力系统集成化设计与有限元分析

根据托举搬运的工况要求,设计了一种上肢外骨骼助力系统,该系统具有可穿戴、易操控、高随动及大承载等特点。根据人体上肢结构、运动的特点,采用集成化设计方法建立了上肢外骨骼助力系统的Inventor模型,设计了能托举搬运40 kg重物的上肢外骨骼助力系统,并对框架式机械臂、多级转阀式肘肩关节、转阀驱动机构进行了较为详细的分析说明。对上肢外骨骼助力系统的助力原理进行了分析,并对其创新点进行了总结归纳。为了提高上肢外骨骼助力系统的安全性,利用ANSYS Workbench软件对其关键零/部件进行强度分析,分析结果表明上肢外骨骼助力系统的关键零/部件强度符合安全要求,保证了使用的安全性,并为后期的进一步优化设计提供了设计参考。