基于人机偏差模型的自对齐髋关节外骨骼解耦设计与计算

针对辅助外骨骼,分析了单自由度人机交互中的人机偏差因素,建立人机偏差变量模型,运用自对齐机构设计理论设计外骨骼机构,以提升人机耦合性能.首先,深入分析了单自由度人体生物关节,建立了人体简化模型+人机偏差变量模型的外骨骼设计模型参考.然后,运用自对齐机构设计理论和多自由度关节解耦方法,提出了自对齐人体运动的外骨骼机构设计思路与方法.最后,以下肢髋关节为对象,将髋关节外骨骼解耦为3个单自由度关节,设计了髋关节助力外骨骼的运动形式,并进行了人机耦合下的外骨骼动态静力驱动计算.结果显示,该运动设计使人机偏差交互力变得可控,从理论上证明了髋关节外骨骼机构能够跟随下肢运动并提供自适应人体的驱动助力.     

基于支持向量机的外骨骼机器人灵敏度放大控制

为了准确控制外骨骼机器人跟随人体运动,需要建立其动态、精确的数学模型;人体下肢外骨骼是一个多自由度、强耦合以及非线性的多连杆系统,难以建立准确的运动学和动力学模型;文章使用三维运动捕捉与空间定位系统,获取实际人体运动参数(运动学与动力学),应用支持向量机(SVM)学习人体下肢外骨骼的数学模型;基于该模型构造基于支持向量机模型的灵敏度放大控制方法;文章使用MATLAB和LIBSVM建立外骨骼下肢机器人的数学模型,并进行仿真分析;仿真结果表明基于SVM的模型学习方法,能够准确计算出人体下肢外骨骼的动力学模型,并简化建模过程;基于SVM的灵敏度放大控制,能够有效计算出人体下肢外骨骼各关节(髋关节、膝关节、踝关节)的输出力矩,并控制外骨骼机器人跟随人体运动。     

人体上肢外骨骼仿生结构及动作特征分析

人体上肢骨骼较为复杂,关节众多,包括腕关节、肘关节、肩关节和上肢带关节等,针对人体上肢骨骼的运动特征,分析作用于骨骼的肌肉和肌腱的功能,以此为仿生模型,采用Pro/E软件建立外骨骼上肢模型的三维仿生结构模型,并对其动作特性研究。     

基于人体运动意图卡尔曼预测的外骨骼机器人控制及实验

为在外骨骼控制中准确获取人体运动意图,本文使用力矩传感器测量人机交互信息.基于人体下肢摆动腿的单摆模型获得摆动腿关节的运动轨迹,并使用卡尔曼滤波进行预测,从而弥补意图延时.使用PD(比例-微分)控制律控制外骨骼跟踪人体摆动腿的关节轨迹,编码器反馈外骨骼关节的实时位置,形成位置闭环控制.进行外骨骼摆动腿实验,结果表明,测得的人机交互信息经过卡尔曼滤波后,可以预测人体摆动腿的运动意图,外骨骼机器人能够实现对人体摆动腿关节轨迹的跟随,所提方法可行.     

PPRRRP和RRRPU肩关节康复外骨骼机构运动性能的分析比较

基于外骨骼机构的构型综合和优选原则,提出PPRRRP和RRRPU两种外骨骼构型.在优选的构型中,通过在人机连接处引入被动关节,使外骨骼机构和人体上臂形成的人机闭链转化为3-DOF（自由度）运动学恰约束系统,实现人机运动学相容.从人机闭链整体的角度,分别建立PPRRRP和RRRPU人机闭链运动学模型,通过对被动关节的合理分解及运动学特征分析,推导其运动学约束方程,并分别求得两闭链的速度雅可比矩阵,该方法降低了人机闭链运动学分析的复杂性.通过对速度雅可比矩阵的数值仿真,在冠状面、矢状面和水平面对2种外骨骼构型进行条件数倒数、可操作度椭球以及灵巧操作速度的分析比较.结果表明：在上述3个面内,PPRRRP构型的运动灵活度、运动各向同性和速度操作灵巧性的运动学性能要优于RRRPU.在此基础上,研制了PPRRRP构型的上肢康复外骨骼样机.     

双坐标系法在人体上肢运动测量研究中的应用

为得到人体上肢关节运动数据,得到上肢在运动过程中各个关节的运动转角;利用多维摄像系统,进行动态测量人体上肢运动,简化上肢模型,用框架代替人体上肢运动,便于测量和校验;通过设计标记点的位置,得到标记点的空间数据;通过空间点在每个关节处分别在与之相连的两个刚体上建立关节坐标系,通过坐标系得转换关系和空间点的坐标,计算运动过程中任意两时刻间的关节转角;建立了关节坐标系,用实验的方法测得标记点的空间坐标,利用VC 编制的程序得到了运动过程中各关节的关节转角;通过实验验证了算法和程序的正确性;该研究可为建立人体上肢有源仿生机构和设计康复器材提供数据来源.     

外骨骼式遥操作主手设计及主从异构映射算法研究

为了更好地促进机器人适应复杂的遥操作任务,开发了能够精确获取人体上肢运动信息的外骨骼式遥操作主手,并通过异构映射算法,实现对6自由度协作机械臂的遥操作．首先,基于人体仿生结构,设计了可穿戴式8自由度外骨骼主手（臂部7自由度和手部1自由度）;其次,通过改进的D-H（Denavit-Hartenberg）方法建立遥操作系统的运动学模型,基于Matlab的机器人工具箱进行了工作空间仿真,并设计主从异构映射算法;最后,实验验证外骨骼主手在遥操作系统中的可操作性,以及工作空间异构映射算法的可行性．实验表明,外骨骼主手能够控制从端机械手臂,且保证末端位置和姿态一致,可在大范围工作空间内复现人体上肢精细运动,主从跟随误差达2 mm,工作空间类似于直径1.08 m的半球形．因此,可穿戴式的外骨骼主手使操作者能更加直观地参与到遥操作系统当中,辅助操作者更加高效地完成精细复杂任务．     

结合模型匹配与特征跟踪的人体上半身三维运动姿态恢复方法

人体姿态空间的高维性及单目视频深度信息丢失,导致从单目视频恢复人体三维运动姿态非常困难,为此,利用特征跟踪的快速性及模型匹配的鲁棒性,提出一种无标记人体上半身三维运动跟踪方法.该方法利用匹配SIFT特征,并根据长度不变性约束建立优化目标函数,再采用迭代优化算法得到全局运动位姿;其他关节的姿态先根据逆运动学计算初始估计值,并通过模型匹配验证其可信度,当初始姿态估计错误时,则使用局部搜索获得关节姿态.实验结果表明,文中方法可以准确地恢复单目视频中人体上半身三维运动姿态.     

基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法

设计了一种基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法.在机器人与人体上肢接触面安装力传感器采集人机交互力矩信息作为量化的主动运动意图,设计了一种无模型自适应滤波算法使交互力矩变得平滑而连贯;以人机交互力矩为输入,综合考虑机器人末端点与参考轨迹的相对位置和补偿力的信息,设计了人机交互阻抗控制器,用于调节各关节的给定目标速度;设计了将无模型自适应与离散滑模趋近律相结合的速度控制器完成机器人各关节对目标速度的跟踪.仿真结果表明,该控制方法可以实现外骨骼式上肢康复机器人辅助患者完成主动交互训练的功能.通过调节人机交互阻抗控制器的相应参数,机器人可以按照患者的运动意图完成不同的主动交互训练任务,并在运动出现偏差时予以矫正.控制器在设计实现过程中不要求复杂准确的动力学建模和参数识别,并有一定的抗干扰性和通用性.     

七自由度虚拟外骨骼运动仿真研究

研究人体运动的真实关节状态,针对地面反作用力对外骨骼系统的影响,单纯数学模型不准确。为解决上述问题,提出了根据机械模块(SimMechanics)的建模方法。利用D-H(Denavit Hartenberg model)运动模型建立外骨骼的机械连杆模型,并作为虚拟建模的对象。引入速度阈值,解决地面反作用力的不连续问题,采用PD控制方法进行控制。利用SimMe-chanics中的驱动器模块、传感器模块、关节模块建立完整虚拟外骨骼机械仿真模型进行仿真。仿真结果显示虚拟外骨骼的关节运动状态能够有效的跟踪上期望值,证明方法能够真实体现人体的运动形态动特性。