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.     

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。     

基于重力势能转化的下肢外骨骼设计与动力学研究

基于人体重力势能转化的弹性助力原理,设计了一款下肢外骨骼,其类型为被动式,可为髋关节提供助力。依据拉格朗日方程建立了下肢外骨骼数学模型,研究了该模型在释能阶段的髋关节转矩。利用Adams软件建立了下肢外骨骼动力学仿真模型,通过数理统计的方法对比了数学模型和动力学仿真模型髋关节转矩的计算结果,得出两者高度相关。利用Adams软件仿真分别得出了人体在穿戴下肢外骨骼和不穿戴下肢外骨骼情况下释能阶段的髋关节转矩曲线,以髋关节做功值为依据对两组髋关节转矩曲线做了对比分析。结果表明,穿戴下肢外骨骼时,释能阶段髋关节做功值减少了19.29%。最后,以储能弹簧刚度与预拉力为设计变量对下肢外骨骼髋关节转矩进行优化,得出最适储能弹簧刚度下穿戴下肢外骨骼时髋关节做功值比不穿戴下肢外骨骼时减少了26.00%。     

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。     

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。     

下肢负重外骨骼机械设计及分析

设计了一种可穿戴式的下肢负重外骨骼机器人,它能够为帮助人们助力,助行。介绍了人体各个关节转动需要的自由度。对外骨骼的各个关节进行分析、设计。设计了液压伺服系统,计算了液压缸上需要力的大小。为了验证模型的可行性,将样机穿戴在人体模型上,导入到ADAMS中进行动力学仿真,得到各个关节的转动情况,证明机构的可行性。     

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。     

一种自适应背部外骨骼设计与研究

外骨骼机械是一种穿戴式设备,可以给人体提供助力、保护以及搭载设备等功能,目前在工业、快递搬运以及康复训练器械中广泛运用。针对现有背部外骨骼自由度低所导致的穿戴舒适性差的情况,以及提高外骨骼机械的大众化程度,提出了一种自适应背部外骨骼。该外骨骼能够自适应于不同肩宽与腰长的人穿戴,结构上能基本满足人体腰部的运动,可作为用于连接上肢外骨骼与下肢外骨骼的中转机构,为全身外骨骼机构的设计提供一种结构简单,维护方便,成本可观的方案。首先通过对人体腰部自由度的分析,设计满足腰背部运动的外骨骼骨架,并在Solidworks软件内进行三维建模。为了验证所设计的背部外骨骼满足腰部运动,运用D-H表示法搭建各关节之间的数学关系,并于Matlab软件的机器人工具箱中,利用蒙特卡罗法完成人体脊椎与外骨骼刚性骨架的运动空间仿真,通过对比两者的运动空间重合情况,理论验证了机械结构合理性。最后通过制造实物对装置功能进行验证,从实际角度证明了外骨骼骨架的自适应性以及其在大众化上的合理性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于刚柔耦合系统的人体外骨骼研究

人体外骨骼结构由整体刚性部件和众多液压作动筒组成,为使人体外骨骼具有更好的减震和缓冲功能,在外骨骼结构中还增加了许多弹性阻尼部件。将整个人体外骨骼结构视为刚性部件与众多柔性部件的耦合结构。以60 kg为负重载荷,在ANSYS中创造性地利用刚柔耦合方式建立人体外骨骼结构有限元模型,并分析该外骨骼结构在行走过程中的受力情况和振动模态,获得各姿态应力值及各阶振型、自振频率。经分析得,外骨骼结构除踝关节结构需加强外,其余部件满足静力学强度要求,模态分析结果显示该外骨骼结构避开了人体运动时前后摆动的频率,但易于在左右摆动时产生共振。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于缓冲结构设计的携行式外骨骼研究

为使携行式外骨骼具有更好的减震和缓冲功能,在携行式外骨骼中增设了缓冲结构。将整个携行式外骨骼视为刚性结构与柔性结构的耦合模型,以60 kg为负重载荷,并考虑冲击系数,在ANSYS中利用刚性区域和耦合技术处理携行式外骨骼有限元模型,并进行该外骨骼结构行走姿态的受力分析和整机振动模态分析,获取外骨骼各姿态应力值和整机各阶振型、振动频率。根据分析结果得,外骨骼结构除踝关节结构需加强外,其余部件均满足静力学强度要求,模态分析结果显示该携行式外骨骼有效避免了人体运动过程中共振现象的产生。对外骨骼进行应力测试和行走测试,各测试数据表明外骨骼满足实际使用要求。