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。     

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。     

人类负重外骨骼结构驱动系统设计及研究

在分析人类负重外骨骼结构原理的基础上,针对其系统控制特点,设计了外骨骼结构液压驱动系统方案,并阐明其控制原理,建立了液压驱动系统数学模型。利用MATLAB/Simulink对其关节联动和行走性能进行仿真分析。搭建了实验平台,对其液压伺服控制和髋关节液压缸输出压力进行了实验研究。实验结果与仿真分析基本保持一致,其中髋关节液压缸阶跃响应时间约为480 ms,频率为1 Hz时其正弦跟踪误差最大为4°。实验证明：该液压驱动系统动作稳,响应快,可控性好。     

凸轮在下肢外骨骼驱动中的应用及分析

以功能设计为出发点,设计下肢外骨骼驱动机构,与从模拟人体腿部肌肉运动的角度出发设计下肢外骨骼驱动的思路有明显不同。由于下肢运动的复杂性,传统的驱动方式在控制上很好实现下肢的行走运动很困难且成本很高,而提出的用复杂的步态曲线来反求设计凸轮外轮廓并用其作为下肢助行器的驱动机构,巧妙的避开了下肢外骨骼中关于如何实现运动控制的难点问题。同时,针对其存在的不能适应步态实时调整的问题也进行了结构补偿,以使外骨骼机构能在一定范围内实现速度的变动。     

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。     

下肢康复外骨骼机器人结构拟人设计与运动学分析

下肢康复外骨骼机器人是一种可以辅助脑卒中导致运动功能障碍患者肢体运动和康复训练的机器人。基于人体下肢生物力学特点,提出了下肢外骨骼机器人设计方案,研究了下肢康复外骨骼机器人的机构设计原理及过程。针对外骨骼髋关节的关键零件设计进行详细阐述,研究了准拟人化设计的比例参数,使用了拓扑优化方法对膝关节电机架进行轻量化设计。基于D-H法分析了外骨骼机构的运动学关系,得到坐标转换矩阵。通过ADAMS软件进行运动学仿真,验证了运动学分析的可靠性。     

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。     

液压驱动机械手的神经网络控制

针对液压驱动机械手的轨迹跟踪控制问题,在分析研究机械手动力学特点的基础上,推导出机械手的数学模型,分析了神经网络自适应控制的特点,提出了基于函数连接神经网络液压驱动机械手的自学习控制结构与控制算法。其控制结构着重智能知识的加强;控制算法以PD形成学习规则为基础,运算结果不是直接参与控制;而是根据控制器作用于系统之后所产生的误差及其微分对控制器作出评价和修正,仿真和实验研究证明了数学模型的有效性及控制方法的可行性。     

下肢外骨骼运动学与ADAMS仿真分析

目前,我国很多工序仍然是手工作业,工作量大,效率低下。基于此,设计了一个3-DOF下肢外骨骼机构,对其运动学进行分析,然后通过控制跨步调整脚着地位置的方法,确保了机构的稳定性。通过ADAMS仿真分析,结果显示,建立的外骨骼机构稳定性良好,实现了助力目的,满足设计要求。     

可穿戴膝关节外骨骼结构设计与运动分析

机械外骨骼是模仿生物界外骨骼研发的一种新型机电装置。设计了一款可穿戴式柔性膝关节外骨骼,采用人体下肢5杆简化模型进行运动学和动力学分析。通过Matlab/Simulink仿真分析,所得的膝关节角度变化曲线与CGA标准曲线基本一致,验证了数学模型的正确性;通过ADAMS动态仿真,模型能正常行走,验证了驱动函数的正确性,所得的膝关节力矩变化曲线,为后面的控制做准备。研制了相关样机,通过穿外骨骼和不穿外骨骼进行对比试验,观察膝关节角度的变化情况,验证该机构的合理性。     

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。     

基于人机耦合模型的上肢康复外骨骼闭环PD迭代控制方法

针对多关节上肢外骨骼重复性康复训练非线性求解困难问题,提出了一种闭环PD迭代学习控制方法。基于人体工学确定了六自由度上肢外骨骼康复机械臂的参数、自由度配置与关节运动范围。以人机交互力为耦合方式,建立了基于牛顿-欧拉法的人机耦合模型,完成了人机耦合动力学模拟分析。基于迭代学习控制理论提出外骨骼康复机械臂的闭环PD迭代学习控制方法,通过建模仿真分析了肩关节/肘关节迭代学习控制的轨迹误差、人机交互力和驱动力矩。第三次迭代后的轨迹误差小于0.05 rad,PD迭代学习控制器的输出对系统控制进行了有效的补偿,提高了系统状态的稳定性。研制了六自由度上肢外骨骼康复机械臂样机,开展试验测试。试验结果表明,随着控制试验在迭代域上的运行,系统的输出向着期望的系统状态转化,所提出的迭代学习控制算法可以提高上肢外骨骼康复训练重复性运动的控制精度,进而提高人机交互性能。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统的研究

将虚拟现实和外骨骼技术引入到肢体的康复工程，根据康复医学的运动疗法和作业疗法，为上肢残疾患者研制出手臂外骨骼康复系统，实现了手臂的运动控制，并构建了虚拟环境仿真平台。借助于触觉感知接口的力反馈作用可以使患者感觉到手臂受到的作用力。提出手臂功能康复测评方法，并建立患者康复病案数据库。手臂外骨骼康复系统为患者提供有效的肢体功能恢复的工具。     

面向竞技训练的下肢外骨骼多模态交互系统研究

目前关注辅助下肢提升身体素质训练的可穿戴设备研究存在缺失,而外骨骼与虚拟现实的协同研究是近几年的新兴方向,多模态信息融合的外骨骼系统能有效优化训练效果和训练体验。因此,开发了一套面向竞技训练的下肢外骨骼多模态交互系统,不仅提供了丰富多样且标准规范的辅助训练,并且实现了多感官的沉浸体验。首先,设计一种多自由度分步动作规划方法,基于下肢运动动作点实现训练动作的复现。其次,提出下肢外骨骼多模态交互系统,通过虚拟现实竞技训练模拟器实现信息空间中规范动作的呈现与指示,构建动作数据集和下肢外骨骼机器人实现物理空间中基础训练的辅助与矫正。系统基于多模态交互执行策略,实时给予训练者视觉、听觉、触觉的多感官反馈,实现符合安全规范的沉浸体验。最后,通过系统功能与用户体验两项实验进行系统验证。功能性实验证明,与原有传统训练相比,该系统平均可提升动作准确率27.62%,且具有一定通用性。用户体验的实验结果表明,该系统功能符合设计预期,舒适性相对其他指标有待提高。     

A one-degree-of-freedom assistive exoskeleton with inertia compensation: the effects on the agility of leg swing motion

Many of the current implementations of exoskeletons for the lower extremities are conceived to either augment the user's load-carrying capabilities or reduce muscle activation during walking. Comparatively little research has been conducted on enabling an exoskeleton to increase the agility of lower-limb movements. One obstacle in this regard is the inertia of the exoskeleton's mechanism, which tends to reduce the natural frequency of the human limbs. A control method is presented that produces an approximate compensation of the inertia of an exoskeleton's mechanism. The controller was tested on a statically mounted, single-degree-of-freedom (DOF) exoskeleton that assists knee flexion and extension. Test subjects performed multiple series of leg-swing movements in the context of a computer-based, sprint-like task. A large initial acceleration of the leg was needed for the subjects to track a virtual target on a computer screen. The uncompensated inertia of the exoskeleton mechanism slowed down the transient response of the subjects' limb, in comparison with trials performed without the exoskeleton. The subsequent use of emulated inertia compensation on the exoskeleton allowed the subjects to improve their transient response for the same task.