下肢外骨骼机器人人机约束模型建立及分析

设计了一种下肢助力外骨骼机器人,建立了人体下肢与外骨骼机器人的人机系统模型,提出两种人机约束方案,并建立了D－H坐标系,根据同一约束点在不同坐标系变换后相对于原点距离不变的原理,建立了各人机约束方案的约束方程,从理论上分析了下肢外骨骼机器人对人体运动的跟随效果。分析结果表明,通过这种方法可以得到不同约束情况下下肢外骨骼机器人对人体运动的跟随情况,合理设计人机约束方案,能够实现下肢外骨骼机器人对人体运动的同步跟随。     

基于ADAMS的助力型外骨骼特征动作驱动液压缸运动学研究

以助力型外骨骼为研究对象,以建立助力型外骨骼运动学模型以及分析外骨骼运动学特性为研究目标,以运动生物力学为基础,选择单膝下跪-起立动作为特征动作,采用多层次光学捕捉系统采集人体运动数据,采用多波峰(波谷)最小二乘法进行数据拟合,得到人体运动时特征角度的数学模型。助力型外骨骼在完成动作时需要与人体高度偕行,因此将特征角度的数学模型运用到助力型外骨骼中,建立外骨骼三维模型,在ADAMS软件中完成外骨骼特征动作仿真,以此来分析外骨骼运动学特性。     

外骨骼式多指测量机器人研究

提出了一种新的外骨骼式多指测量机器人，用于对舱外航天服手套力学特性测量。本文设计的基于平行四边形连杆的外骨骼式机械手指，机械刚度大，指节长度根据需要可调节，能够围绕航天服手套实现包络运动且可实现双向驱动。根据机械手的结构特点,建立了其运动学模型。在手指动力学基础上设计了鲁棒μ控制器，分析了系统的模型不确定性，将负载动力学作为系统的反馈不确定，建立了合理的被控对象标称模型，轨迹跟踪实验表明μ控制器能够抑制干扰对机器人系统的影响，使系统具有鲁棒的稳定性和性能。测量实验表明外骨骼式多指机器人人系统的可靠性和测量原理的正确性。     

基于稳定阈度分析的外骨骼动态步长规划方法

在医疗领域,康复外骨骼机器人能够帮助下肢瘫痪的患者重新行走,因此得到广泛的关注。由于下肢截瘫患者身体的特殊性,针对该类患者使用的外骨骼机器人大多使用拐杖作为平衡辅助工具。在固定步长的情况下,不同的拐杖支撑点位置,会很大程度影响步行稳定阈度。通过分析穿戴者拄拐步态所形成的多边形支撑面,利用零力矩点(ZMP)理论计算相应的压力中心位置,从而得到四足步态的稳定阈度表达式;并在此基础上提出动态调整步长的方法,得到拐杖支撑点与步长的拟合曲面,对步长进行实时、适当调整;最后通过外骨骼机器人的运动学模型,规划相应的步态轨迹。通过在课题组自主研发的外骨骼机器人样机上进行大量对比实验,证明了在每个步态周期中,针对不同的拐杖支撑位置,提出的方法可以有效增加系统步态的稳定阈度,降低拐杖支撑点的随机性对系统稳定性的影响。     

基于模糊PID的助行外骨骼机器人控制研究

为了研究外骨骼机器人的步态控制,提出了一种基于模糊PID的算法,首先给出机器人的一般增量式PID控制算法,然后根据机器人关节角度误差和误差变化量的参数,选择了隶属函数,最后结合实际操作经验,建立了模糊规则表,完成了对PID参数的在线自整定.试验结果表明,模糊PID控制方法能够使外骨骼机器人平稳运动,初步实现了机器人的步...     

面向下肢康复的柔性外骨骼机器人进展研究

作为近年来新兴的机器人技术,柔性外骨骼结合了柔性驱动和可穿戴机构,有效解决了传统刚性外骨骼机器人重量大、顺应性差、效率低、穿戴舒适性差的问题,因此尤其适用于运动障碍患者的辅助行走及运动康复,已成为主动康复领域发展的重要方向之一.本综述聚焦下肢柔性外骨骼助行机器人近十年的创新与应用进展,收集整理了 60篇目标文献,其中,...     

气弹簧在骨骼服中的应用研究

为了减小上肢运动所需的力矩,在骨骼服的髋关节部位加入了气弹簧。介绍了海军航空工程学院开发的骨骼服,重点研究了气弹簧在该系统的应用。介绍了气弹簧的原理并对系统进行了力学分析,对使用气弹簧和不使用气弹簧两种情况下人的受力情况进行了研究,实验结果显示气弹簧能够使操作者用很小的力操纵骨骼服的运动,气弹簧在骨骼服中的应用是非常巧妙和有效的。     

基于PSO-SCE的下肢外骨骼机器人步态多目标优化

针对一些传统下肢外骨骼机器人步态优化算法中的寻优精度低和收敛速度慢等问题,提出一种下肢外骨骼机器人步态优化算法,该算法采用粒子洗牌策略和复合形信息互通技术,保留了粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法与复合形交叉进化(Shuffled Complex Evolution,SCE)算法的优点,通过建立以机器人步态零力矩点(Zero Moment Point,ZMP)稳定裕度和每步驱动能耗为参数的多目标优化函数进行寻优,并在SolidWorks、ADAMS和MATLAB软件中进行联合对比测试,仿真表明:与PSO算法和SCE算法相比,采用PSO-SCE算法得到的机器人步态ZMP稳定裕度增大,驱动能耗平均值分别减小了18.4%和13.5%,机器人能够以较小的能量消耗实现稳定平滑行走。     

可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统安全性设计评价

可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统的安全性主要取决于系统的机械结构设计、驱动器的选择和布置、保护措施和安全控制策略的设计。为了提高系统的安全性及保护操作者与周围人群的安全,通过对可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统设计、使用、维护过程中的要点进行分析,提出了系统安全性评价方法,为今后柔性外骨骼人机智能系统的发展提供了参考。     

一种主动型踝关节助力外骨骼设计及性能实验

为实现踝关节的运动助力,针对踝关节运动过程角度变化快、运动自由度多的特点,本文提出了一种基于多支链空间连杆机构的主动助力外骨骼,通过电机带动丝杆传动并组合空间连杆机构的设计方式,实现了踝关节主动的背屈/ 跖屈及从动的内收/ 外展,旨在提高踝关节外骨骼运动跟随的协调性,减少其对穿戴者运动自由度的限制。 基于脚底测力系统进行步态识别,采用运动状态机对踝关节助力外骨骼进行分层控制策略研究。 并对踝关节进行运动实验测试及助力评估。 实验结果表明,踝关节外骨骼的有效助力范围(跖屈 30° ~背屈 20°,内收 35° ~外展 15°)能够满足正常行走需求,具有良好的运动跟随性(角度误差≤2°),受试者小腿肌电信号明显衰减,减幅均值可达 28. 91% ,可实现有效助力。     

仿生连续体机器人的研究现状和展望

仿生连续体机器人是一种基于章鱼臂、象鼻等生物器官仿生的新型机器人,近年来正逐步成为一个新的研究热点.文中讨论了连续体机器人的运动机理和应用领域,从仿生设计、运动学、动力学与控制等方面详细介绍了其研究现状,指出了目前连续体机器人研究中存在的问题及有待深入研究的方向.     

创伤手指康复外骨骼手系统研究

在分析了人手生物学特性的基础上,提出了一种新的外骨骼式机械手,用于创伤手指的术后康复治疗。基于模块化思想设计了外骨骼手机构本体,该外骨骼手的特点是可以适应不同人手长度,能够驱动手指进行独立的弯曲和内收/外展康复运动,康复过程中为避免对关节周围软组织的损坏能够保证康复力始终垂直作用于指骨,且能实时反馈手指的关节角度、力信息。对外骨骼手关节单自由度和二自由度构型进行了分析,建立了外骨骼手的运动学模型,给出了外骨骼手的运动学和动力学方程。以ARM微处理器为核心建立了基于SPI总线的外骨骼手控制系统。最后,进行了外骨骼手的动力学仿真验证和食指弯曲方向康复实验研究。实验结果表明,外骨骼手系统可靠,康复原理和方法正确可行,能够满足创伤手指康复要求。     

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。     

Active disturbance rejection control based human gait tracking for lower extremity rehabilitation exoskeleton

This paper presents an active disturbance rejection control (ADRC) based strategy, which is applied to track the human gait trajectory for a lower limb rehabilitation exoskeleton. The desired human gait trajectory is derived from the Clinical Gait Analysis (CGA). In ADRC, the total external disturbance can be estimated by the extended state observer (ESO) and canceled by the designed control law. The observer bandwidth and the controller bandwidth are determined by the practical principles. We simulated the proposed methodology in MATLAB. The numerical simulation shows the tracking error comparison and the estimated errors of the extended state observer. Two experimental tests were carried out to prove the performance of the algorithm presented in this paper. The experiment results show that the proposed ADRC behaves a better performance than the regular proportional integral derivative (PID) controller. With the proposed ADRC, the rehabilitation system is capable of tracking the target gait more accurately.     

下肢外骨骼行走康复机器人研究与设计

外骨骼机器人是一种可穿戴在操作者身体外部的一种机械装置,提供保护、身体支撑和运动等功能。文中设计了一种外骨骼行走康复机器人,该外骨骼康复机器人单下肢具有3个自由度,利用较少却必须的自由度来实现行走,降低了机构的复杂程度,提高了装置的效率,借助此外骨骼辅助患者摆脱轮椅站立起来并行走,通过采集拐杖与地面的接触信息来控制膝关节和髋关节的屈伸运动,从而帮助患者实现跨步。     

创伤手指康复外骨骼手系统的设计

在分析人手生物学特性的基础上,提出了一种新的外骨骼式机械手,用于创伤手指的术后康复治疗。基于模块化思想设计了外骨骼手机构本体,该外骨骼手可以适应不同人手长度,能够驱动手指进行独立的弯曲和内收/外展康复运动;康复过程要求外骨骼手能够实时反馈手指关节的角度和力信息,同时保证康复力始终垂直作用于指骨以避免损坏关节周围的软组织。对外骨骼手关节单自由度和二自由度构型进行了分析,建立了外骨骼手的运动学模型,给出了外骨骼手的运动学和动力学方程。以ARM微处理器为核心,建立了基于SPI总线的外骨骼手控制系统。最后,进行了外骨骼手的运动学和动力学仿真验证及食指弯曲方向康复实验研究。实验结果表明,创伤手指康复外骨骼手系统康复原理和方法正确可行,实验的重复性误差5%,表明外骨骼手系统能够满足创伤手指康复要求。     

仿袋鼠跳跃机器人机构逆动力学分析

抽象了仿袋鼠跳跃机器人多刚体机构模型，在此基础上，应用凯恩方法建立了仿袋鼠跳跃机构动力学方程，给出了袋鼠跳跃机器人运动过程各关节的驱动力矩的计算公式。并用MATLAB进行实例计算及仿真。     

Safe physical human robot interaction-past,present and future

When a robot physically interacts with a human user, the requirements should be drastically changed. The most important requirement is the safety of the human user in the sense that robot should not harm the human in any situation. During the last few years, research has been focused on various aspects of safe physical human robot interaction. This paper provides a review of the work on safe physical interaction of robotic systems sharing their workspace with human users (especially elderly people). Three distinct areas of research are identified: interaction safety assessment, interaction safety through design, and interaction safety through planning and control. The paper then highlights the current challenges and available technologies and points out future research directions for realization of a safe and dependable robotic system for human users.     

Development of a hand exoskeleton system for index finger rehabilitation

In order to overcome the drawbacks of traditional rehabilitation method,the robot-aided rehabilitation has been widely investigated for the recent years.And the hand rehabilitation robot,as one of the ...     

仿生机器蟹机构设计及结构参数优化

通过对原型生物体的结构简化 ,确定了仿生机器蟹步行机构的结构框架 ,引入了变向性、灵活性的概念 ,提出了以变向角、灵活度作为评价躯体灵活性的综合指标 ,在仿真环境下测试了仿生机器蟹结构参数对其变向性、灵活性的影响 ,并据此得到了优化的仿生机器蟹结构参数