基于全方位移动机器人的下肢康复训练研究

下肢康复机器人在临床康复领域的应用弥补了传统康复方法在客观性、有效性、实时性与趣味性等方面的不足。文章以人体下肢康复训练疗法及康复理论为依据,从临床康复的安全性、有效性、实用性及舒适性角度,解析出对下肢康复机器人机构、控制、传感器等方面的设计要求,并针对康复评价参数问题,提出了一种采用全方位移动下肢康复训练机器人获得动平衡参数及步态参数的方法。在分析人体下肢生理结构与临床康复对下肢康复机器人训练系统的特殊设计要求基础上,设计了能够提高人体下肢运动能力、实现多种训练方式、适用于不同患者、不同患侧康复训练模式的下肢康复机器人系统,对下肢障碍患者的康复以及临床医学研究起到辅助作用。     

卧式下肢康复机器人动力学建模及控制研究

为掌握人体下肢在康复训练过程中的力学特性,对卧式下肢康复机器人进行了动力学建模和仿真研究。考虑到机器人利用机构牵引人体下肢,辅助患者实现对髋、膝、踝关节的康复训练,将人体下肢和机构作为一个整体,应用闭环矢量法和牛顿-欧拉法建立了机器人的运动学及动力学模型,并以动力学模型为基础,基于计算力矩法设计了控制器,以轨迹跟踪为目标进行了仿真研究。仿真结果表明,该控制方案对康复训练是有效的,并且动力学模型能快速、有效地给治疗师和患者提供训练参数,为制定有效的康复训练策略和进行动态性能分析提供理论依据。     

下肢康复机器人移动底盘设计与分析

目的:设计用来承载整台下肢康复机器人的底盘机构,实现机器人在地面的全方位移动。方法:首先设计主动万向轮并对其解耦,然后结合偏瘫患者康复训练需求和机器人硬件结构,设计机器人底盘整体结构,然后对其进行运动学建模,最后进行实验验证。结果:完成了基于主动万向轮的下肢康复机器人移动底盘机构的设计和运动学分析,通过实验验证了底盘的全方位移动特性。结论:基于主动万向轮的下肢康复机器人底盘可以实现地面全向移动,满足偏瘫患者地面训练需要。     

下肢康复用并联式外骨骼膝关节的设计

提出了下肢瘫痪病人康复用并联式外骨骼膝关节的设计方法.通过分析传统单自由度转动副和多连杆机构的不足,采用平面二自由度并联机构对膝关节外骨骼化,以提高外骨骼膝关节的仿生性和通用性,并提出了该机构辅助人体膝关节进行康复训练的实施方案.在运动学分析的基础上,以满足人体正常行走时膝关节的运动范围要求和提高机构运动学性能为目标进行了结构参数优化设计.初步分析表明,该机构用于下肢瘫痪病人康复训练时具有仿生性高和通用性强的特点.     

基于人机闭链的下肢康复外骨骼机构运动学分析

针对下肢康复外骨骼在使用过程中出现的运动偏差，基于人体-外骨骼运动模型与调整模型，完成了下肢康复外骨骼的结构设计与运动学分析。运用人机偏差变量理论和人机相容理论，在人体-外骨骼运动模型上添加被动自由度，建立了人体-外骨骼调整模型。根据2种模型设计了下肢康复外骨骼，该外骨骼提供运动模式和调整模式，可通过人机滑动偏差检测装置切换使用模式。通过建立单侧外骨骼机械腿运动学模型，求解其运动方程和连杆变换矩阵。运用MATLAB和ADAMS软件对外骨骼模型和人体-外骨骼模型进行运动学仿真，并对比分析仿真结果。结果表明：下肢康复外骨骼在矢状面内的运动空间可以覆盖人体末端运动轨迹，该外骨骼各关节仿真运动趋势与理论运动趋势基本一致；调整模式能够补偿运动模式产生的运动偏差，验证了下肢康复外骨骼机构设计的合理性。研究表明基于人机闭链设计的下肢康复外骨骼机构能够较好地补偿运动偏差，避免因人机滑动引起的人体二次损伤，为外骨骼的实用化设计与研究提供了理论基础。     

绳牵引康复机器人的工作空间分析与运动学研究

针对在康复训练过程中如何协调控制患者的骨盆运动轨迹问题,设计了由4根绳牵引的3自由度绳牵引并联康复机器人.基于力/位混合控制的思想,给出了一种基于矢量封闭原理和特定的力/力矩条件的可控工作空间分析方法;用影响系数方法建立了绳牵引康复机器人的运动学方程,得出骨盆运动与绳运动的映射关系;并采用Matlab软件和Simulink工具对骨盆在步态运动过程中的运动轨迹进行了仿真研究.结果表明:该工作空间分析方法可以直观地判断绳牵引康复机器人的机构参数是否满足设计目的要求,绳的速度值和加速度值与骨盆的速度值和加速度值是同数量级的.     

体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统

针对脑卒中患者因大脑神经损伤而造成的上肢运动功能缺失,结合镜像疗法的机器人辅助训练可通过促使双侧肢协同运动来有效地促进大脑神经元重塑,从而实现运动功能恢复。为此,将镜像康复理论、虚拟现实技术和机器人技术有效结合,提出一种体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统。使用动作捕捉设备采集患者健肢的位姿信息,通过设计人机镜像运动映射算法来映射上肢康复训练机器人的运动轨迹。考虑到康复治疗的柔性需要,该机器人的关节采用基于比例压力控制的摆动气缸来驱动;同时,针对气动系统的特性,设计了PD(proportional differential,比例微分)+速度前馈补偿的轨迹跟踪控制策略,实现了双侧肢协同运动的镜像康复训练。通过对机器人系统样机进行复合运动轨迹规划试验和镜像康复训练试验,验证了该系统在镜像康复治疗中的可行性和有效性。所设计的机器人系统为人体双侧肢协同运动的康复训练临床需求提供了设计思路和实现方法。     

卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究

为保证下肢运动功能障碍患者在康复训练中的安全性和舒适性,利用力反馈信息采用阻抗控制原理设计了康复机器人系统的控制器,通过调整末端位置与力之间的关系使机器人具有一定的柔顺性.建立了系统的控制模型,并在dSPACE平台上进行了实验研究.结果表明,通过调节控制器中的阻抗参数,可以使机器人获得不同的刚度特性和阻尼特性,同时分析...     

穿戴式外骨骼机器人肌电信号采集与处理

下肢穿戴式外骨骼康复机器人在医疗领域的应用前景十分广阔,与下肢功能障碍患者的生活休戚相关,外骨骼机器人的精确控制可以由对人体动作准确的识别来实现,这有利于外骨骼机器人实用化.本文对下肢康复运动的特点进行分析,介绍了康复运动的步态规划、下肢运动机理、肌电信号的特点,以及sEMG信号及其特征,分析了sEMG信号生成原理、影响sEMG信号的主要因素以及肌电信号的采集系统;对基于sEMG的下肢外骨骼机器人的关键技术做了简单归纳:下肢外骨骼机器人的运动预测、模式识别、康复效果评估等.     

新型3T1R并联机器人机构运动学分析与参数优化

目的 针对生产线码垛作业货物搬运需求,设计一种3T1R码垛并联机器人机构.方法 利用方位特征方程分析机器人机构的自由度、耦合度、方位特征集等拓扑结构特性.根据运动副的构型建立运动学逆解模型,考虑到码垛机器人运动范围的精度需求,采用一种新型的数值搜索法实现并联机构工作空间的快速高效搜索,同时,分析结构参数对工作空间体积的影响,选择鲸鱼优化算法对结构参数进行最优化设计.结果 分析得到的机构工作空间较大且连续性较好,新型的数值搜索法可快速有效地搜索,得到准确的工作空间边界.结论 优化后的并联机构具有良好的工作空间和较好的应用前景.     

新型四自由度3T1R并联机器人机构运动学分析与优化设计

目的 针对自动化生产线分拣需求,提出一种新型四自由度的三平移一转动（3T1R）并联机器人机构。方法 根据方位特征集设计理论验证并联机器人机构的运动性质。利用机构的构型特点建立运动学方程模型,对其进行位置正解和逆解的分析,通过数值法搜索得到并联机器人机构的工作空间图形和转动能力等高线图。同时分析并联机器人机构的雅可比矩阵JX以及奇异性。最后以工作空间最大化作为适应度函数,基于遗传算法对机构结构尺寸进行最优化分析。结果 该机构操作空间具有规则形状、无空洞、较大的特点,优化后的并联机器人机构工作空间性能提升45%。结论 操作空间内运动灵活性较好,优化后工作空间性能得到显著改善。在电子包装自动化生产线搬运分拣领域具有较好的应用前景。     

坐式下肢康复训练机器人人机舒适度设计

目的 从满足脑卒中偏瘫患者或行走能力弱的患者,进行下肢康复训练时对设备的使用需求出发,对传统坐式下肢外骨骼康复机器人进行改造,以增强机器人的人机舒适度.方法 通过主观评价的方法,对坐式下肢康复训练机器人的座椅椅背处于不同角度时不同患者的舒适度进行评价;并借助JACK软件创建第95百分位男性和第5百分位女性虚拟人体模型,利用受力分析模块对虚拟人体第4节和第5节腰椎(L4/L5)进行受力分析,得到座椅相对舒适角度区间;通过分析使用者与设备的人机交互过程,对外骨骼匹配性和显示装置的可视性进行人机工效评估.结论 通过对康复训练机器人的舒适度分析,得出了更加符合人机关系的产品尺寸区间,为康复训练产品舒适度方面的设计提供了有效的方法.     

新型并联机器人的构型设计与运动学分析

目的针对袋装食品的抓取和装箱过程操作简单且重复性高,采用人工完成的成本过高,极易发生少装和错装的现状,设计一种以2-RPS-UPU并联机构为主体的抓取和装箱机器人,验证其是否具有良好的运动学性能。方法通过运用螺旋理论和修正的Grubler-Kutzbach公式对机构的自由度数目和类型进行分析,接着使用"闭环解析法"和"欧拉角表示法"2种方法推导该机构的运动学位置反解,采用粒子群优化算法对该机构进行位置正解算例分析。最后利用SolidWorks软件采用"驱动动静结合"的方法求解机构的工作空间。结果该机器人具有3个自由度(两转一移),驱动关节和末端执行器之间的位置及姿态关系明确,可以进行良好的线性运动,工作空间呈蜘蛛网状,范围广且形状规则对称,结构紧凑。结论该新型三自由度并联机器人能够满足袋装食品抓取和装箱时所需的运动和工作范围,其运动平稳,可靠性强。     

手腕康复机器人功能设计与外观设计

目的人体的手腕是活动中易损伤的关节,为辅助患者对手腕部位进行连续性标准化康复训练,设计一种结构紧凑、使用方便的手腕康复机器人。方法根据康复医学原理确定腕关节的转动运动范围,设计一种3-RRP球面并联式外骨骼康复机器人。通过虚拟样机对康复机器人进行仿真实验。使用MATLAB求解康复机器人的工作空间。根据人机工程学对机器人进行外观安全设计。结果该机器人有3个转动自由度,可实现腕关节掌屈/背伸、尺偏/桡偏、与小臂一起旋转运动。仿真实验表明该机器人可满足手腕关节康复训练要求,运行平稳,机器人的工作空间为球面的一部分,且连续无空洞。外形与色彩及人性化尺度设计使患者能够享受良好的医疗体验。结论使用该机器人可以达到腕关节的康复效果,研究结果为手腕康复机器人的产品工业化设计奠定了理论基础。     

基于改进目标检测算法的AGV避障方法研究

目的 针对食品包装的抓取和装配,利用人工成本高且容易装错等问题,基于方位特征(POC)方程的并联机构结构综合方法,提出一种以3PUPaR并联机构为主体的抓取机器人机构。方法 计算3PUPaR并联机构的自由度、方位特征集以及耦合度等拓扑特性,验证机构具有空间纯移动的运动特性,建立机构的运动学逆解方程,基于此,采用数值法得到机构的工作空间与运动灵巧度。并研究参数尺寸大小对工作空间与全局灵巧度的影响,以全局灵巧度和工作空间为优化目标,选择具有Pareto解的NSGA-II算法完成多目标参数优化。结果 结果表明,机构具有较大且连续的工作空间。结论 该新型三自由度并联机器人能够满足食品包装的抓取和装配时运动范围。     

一种六自由度上肢康复机器人的结构设计及运动学分析

为解决现有上肢康复机器人功能单一以及结构复杂的问题,提出了一种6-DOF外骨骼式上肢康复机器人,建立了康复机器人的运动学模型,通过D H变换对其正向运动学和逆向运动学进行求解.运用Pro/E对康复机器人进行三维建模,通过Mechanism/Pro导入ADAMS/view中进行运动学仿真,得到机器人末端位移的仿真曲线和理论曲线一致,验证了理论推导的正确性,进一步仿真结果证明该方案具有较好的运动特性.     

码垛机器人的工作空间分析

目的分析在机器人设计和托盘码垛布局规划过程中码垛机器人的工作空间。方法用D-H法则建立运动学方程,根据运动学方程对四轴型的码垛机器人进行分析,最后利用矩阵变换法建立码垛机器人位姿变化关系,求解运动学的正逆解,并用Matlab软件的图形用户界面(GUI)对求解结果进行仿真。结果得到了机器人的可达工作空间图,工作空间在x-y平面投影图和工作空间在x-z上的平面投影图。结论通过分析Matlab软件的仿真结果,可以直观地得到该码垛机器人的工作空间。