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.     

膝关节外骨骼综合测试系统设计与实现

膝关节外骨骼系统是一种人体膝关节助力设备,其主要作用为可以使穿戴者在行走、奔跑、爬坡等运动过程中获得膝关节部位的助力扭矩,提升穿戴者的行动及负载能力;根据膝关节外骨骼系统的产品特点,对膝关节外骨骼的测试需求进行了研究,得到常规数据、助力效率、舒适度、寿命测试、关节驱动特性等5种测试需求;后基于测试需求,对一种膝关节外骨骼综合测试系统进行了架构设计,并对各种测试科目包括常规数据测试、助力效率、穿戴舒适度、使用寿命、关节驱动特性等进行测试方法研究.经实际应用试验表明,该测试系统可满足膝关节外骨骼设备的测试需求.     

基于柔性驱动关节的下肢外骨骼双模态切换控制

为了提高外骨骼关节柔性以及穿戴舒适性,设计了基于柔性驱动关节的可穿戴式下肢外骨骼,同时针对下肢外骨骼在控制的不同相位阶段其侧重点不同的特点,提出基于双模态切换的混合控制策略.首先,针对下肢外骨骼关节的柔性问题,设计了基于双平行弹簧的串联弹性体,并将其安装于外骨骼关节驱动模块,通过双编码器实现关节力矩和位置信息的反馈.然后,分析外骨骼在不同步态相位的运动特征,提出了双模态切换控制策略,即支撑相采用自适应阻抗控制算法来提高稳定性和抗冲击能力,摆动相采用自抗扰-终端滑模控制算法来提高响应速度和跟踪精度.最后,通过控制仿真和主被动跟踪实验,验证了本文算法相较于传统PID(比例-积分-微分)和自抗扰控制算法的优越性.被动跟踪实验结果说明当关节误差收敛范围在土5％时,收敛时间可达0.28 s;在主动跟踪实验中,实验人员穿戴外骨骼时髋关节和膝关节最大均方根误差分别为0.47°和1.28°,说明本文控制算法可以实时跟踪人体运动意图,满足人机交互柔顺性需求.     

基于Opensim的柔性外骨骼机器人的模拟仿真

现有的刚性外骨骼存在关节中心与人体下肢的生物关节中心较难对齐、限制人体运动的自由度和影响穿着舒适度等问题.针对上述问题,设计了一种由电机驱动的助力髋关节屈曲和伸展的柔性外骨骼机器人.基于该柔性外骨骼,利用三维动作捕捉系统和测力平台采集受试者在行走过程中的运动学和地面反作用力数据,运用生物力学分析软件Opensim建立人体-外骨骼模型;利用Opensim分别模拟计算出在行走时助力和不助力两种情况下驱动髋关节的主要肌肉的代谢值.模拟仿真结果表明:和不助力的情况相比,在行走过程中对髋关节助力会减小驱动髋关节运动的主要肌肉的代谢值,减小穿戴者肌肉的负担;在行走过程中减小穿戴者的能量消耗.     

绳驱动柔性上肢外骨骼机器人设计与控制

为了提高上肢外骨骼机器人的拟人化程度及关节柔性,设计了一种由串联弹性驱动器和鲍登线驱动的4自由度柔性上肢外骨骼机器人.首先,设计一种六连杆双平行四边形机构,建立肩关节虚拟转动中心,满足人体肩部3自由度运动需求.然后,设计基于串联弹性驱动器和鲍登线的驱动模块,将驱动器和机器人关节分离,降低结构的复杂度,减轻关节质量,实现力矩/位置信息的反馈.最后,构建机器人运动学及动力学模型,设计关节阻抗控制器并对样机肘关节进行阻抗控制实验.由实验结果可知,刚度系数在0.5 N·m/(°)～1.5 N·m/(°)时,力矩跟踪均方根为0.33 N·m;阻尼系数在0.001 N·m·s/(°)～0.01 N·m·s/(°)时,力矩跟踪均方根为0.57 N·m.实验结果表明,调节阻抗控制器中的阻抗系数能够改变关节的刚度和阻尼特性,从而提高人机连接的柔顺性.因此该机器人可以满足康复训练需求.     

偏瘫患者辅助下肢外骨骼设计与仿真分析

针对偏瘫患者外骨骼康复机器人降低外骨骼质量的要求,设计了一种辅助下肢外骨骼机器人,采用柔索驱动的膝关节,具有结构简单,质量轻的特点。同时利用ADAMS建立了外骨骼关节柔索驱动的动力学模型,绳索模块建立了柔索驱动模型,通过Ariel生物运动分析软件,采集髋、膝、踝关节运动数据,运用Spline函数进行了仿真分析。经过仿真分析柔索驱动在上台阶运动过程中的不同拉簧预紧力和拉簧刚度下传动特性和驱动力矩,为进一步研究设计下肢外骨骼提供依据。     

基于导纳控制的膝关节外骨骼摆动控制研究

针对膝关节外骨骼机械腿运动过程中对操作者的运动跟随问题,提出了一种基于导纳原理的等效惯量补偿控制方法.设计导纳控制器将外骨骼与操作者间的交互力矩转化为期望的运动轨迹;通过低通滤波加速度与惯量增益的乘积形成的闭环反馈实现等效惯量补偿;结合腿部肌肉表面肌电信号进行人体摆腿运动换向的预判,实施膝关节外骨骼机械腿的摆动控制,实验结果表明,膝关节外骨骼与受试者之间的关节角度相对误差为±12%,膝关节外骨骼机械腿对受试者的摆腿运动能实现较好的运动跟随.     

轻量型柔性下肢助力外骨骼的设计及性能实验

针对传统的外骨骼机器人存在的刚性结构、自重大、柔顺性差、穿戴舒适性差等问题,设计了一种轻量型柔性下肢助力外骨骼.该外骨骼通过鲍登绳装置和弹簧装置实现对踝关节的柔性助力,利用驱动系统的"单轮双槽"绕线盘实现单个电机对双腿的驱动,其稳定性通过有限元分析得以验证.在外骨骼的控制策略上,本文在电机系统的传统三环PID(比例-积分-微分)反馈控制的基础上,提出了基于电机转角和转速的PID控制策略和基于踝关节力矩的PID控制策略,通过Simulink和Simscape工具仿真验证了控制策略的可行性.最后,搭建了一台外骨骼样机并进行了性能实验,样机质量仅为3.095 kg,在本文设置的实验条件下,穿戴该外骨骼行走时人体代谢降低了15％,验证了该外骨骼设计的合理性,也表明该外骨骼相比传统外骨骼具有更好的助力效果.     

下肢负重外骨骼机器人的初步设计

研究设计了一种能够增强人体负重的下肢外骨骼机器人,该负重外骨骼机器人具有8个自由度,可实现髋关节的外展与内收、屈/伸运动;膝关节的屈/伸运动以及踝关节的弯曲运动;根据人体步态分析研究出各个关节的运动角度范围,结合目标负重进行结构优化设计;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,根据其几何关系,采用D-H准则对外骨骼机器人进行了数学建模;以计算机、六轴运动控制卡和STM32为核心构建了控制系统,结合ZMP (zero moment point)零力矩点稳定性判据及三次样条插值进行了步态规划,并将此步态规划应用于样机上;样机实验结果表明,此结构能够满足不同体型的人进行穿戴,并能够根据规划的步态轻松行走,验证了其结构和控制系统的合理性.     

基于踝关节处人机位姿误差的外骨骼摆动腿控制

提出了一种外骨骼整机运动控制策略,并重点介绍了外骨骼摆动腿的运动规划与PD(比例-微分)控制.作为外骨骼摆动腿运动规划的依据,踝关节处人机位姿误差检测仅需要在腰部与踝足部进行人机绑定,降低了对穿戴者运动的限制与控制系统的复杂性.通过Adams与Matlab验证了作为外骨骼摆动腿PD控制器设计基础的外骨骼动力学模型的正确性.引入卡尔曼滤波器预测穿戴者摆动腿的运动可以在有限的采样频率下改善控制精度.实验结果表明,该方法能有效识别穿戴者摆动腿的运动意图并驱动外骨骼髋、膝关节实现人机踝关节轨迹的跟踪,可用于下肢外骨骼摆动腿的控制.     

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。     

面向助力膝关节外骨骼的弹性驱动器研制及实验研究

为满足下肢助力外骨骼不同行走模式下有效驱动的需求,提出了一种弹性驱动器,通过电机带动丝杠螺母串联弹簧,结合相应的刹车片,实现弹性驱动器对不同行走模式下的助力膝关节外骨骼的驱动.对弹性驱动器进行工作模式分析及刹车装置的动力学研究.为优选出合适的刹车片材料及弹簧,进行了弹性驱动器的刹车力及弹跳冲击实验.在建立的Solid Works、ADAMS虚拟样机联合仿真平台上对弹性驱动器驱动的膝关节外骨骼进行运动仿真,考察弹簧刚度及等效质量对弹性驱动器工作性能的影响,为下肢助力机器人弹性驱动器的设计提供理论依据.     

复式套索人工肌肉驱动的下肢外骨骼的运动控制

设计了复式套索人工肌肉驱动的下肢外骨骼系统,并研究了外骨骼关节精密运动控制问题.首先,介绍了复式套索人工肌肉驱动的下肢外骨骼系统.其次,建立了复式套索人工肌肉的传递模型,并基于拉格朗日法建立了下肢外骨骼动力学模型.然后,基于该动力学模型提出了一种滑模控制方法.进行了滑模控制与比例-微分(PD)控制外骨骼膝关节运动的对比实验,证明了该滑模控制算法具有更高的运动控制精度.最后,完成了下肢外骨骼的被动训练实验,其关节角度跟踪误差低于3.78?.     

基于运动预测的髋关节外骨骼实时助力控制

针对下肢肌力衰退群体日常出行需求,设计了可穿戴的髋关节外骨骼,实现对人体日常步行意图的精准感知,并对髋关节的屈曲/伸展动作提供实时助力.为了实现频繁走停条件下的助力时机准确性和规律步行条件下的助力无延时,提出了一种基于混合振荡器的运动预测模型,将步态数据从时域转化为相角域,实现人体步行步态的预测和步态周期的分割,通过相角在线计算助力矩,对髋关节外骨骼进行助力控制.为了消除大助力矩下产生的抖动,对大腿杆上的惯性测量单元进行了解耦布置设计.通过跑台步行实验和自由步行实验,分别验证了髋关节外骨骼对于瞬时速度变化、均匀速度变化的适应性,以及在走停切换、自由随意步行时的适应性和有效性.同时检测和对比人机交互力,验证了带预测能力的自适应振荡器模式能提供更好的助力体验.实验结果表明,基于混合振荡器模型的助力控制策略能够兼顾走停切换条件下非周期步态的助力和规律步行条件下的类周期无延时助力.     

基于多模式弹性驱动器的膝关节外骨骼机械腿

基于人体行走过程中下肢肌肉的运动机理,提出一种多模式弹性驱动器,并应用于膝关节外骨骼中实现膝关节外骨骼机械腿的刚性驱动及柔性驱动.首先,对多模式弹性驱动器及膝关节外骨骼进行机构设计,并分析驱动器运动模式.其后,进行驱动器的动力学建模,并分析弹性参数、阻尼参数及负载对驱动器输出带宽的影响,针对弹性驱动器特征进行了基于运动状态机的控制策略研究.最后,根据控制策略对膝关节外骨骼样机实施运动控制.实验结果表明,膝关节外骨骼能根据运行状态机实现有效控制,从而验证了弹性驱动器设计的合理性.     

基于移动补偿的绳驱动关节运动解耦方法

提出了一种通过移动补偿解决绳驱动关节运动耦合的方法。首先,根据运动耦合的机理推导出解耦的约束条件,并相应地设计了一种2自由度绳驱动机械臂;然后,为分析绳索的弹性形变对解耦效果的影响,应用绞盘方程建立了绳索拉力对关节转角偏移影响的理论模型;最后,开展了相应的试验。试验结果显示当关节不受外力矩时,其最大角度偏移量为0.72°;关节上施加一定力矩后,基于上述模型得到的关节转角偏移量同试验值的差异小于0.02°。此外,关节转角偏移量随着预紧力的增大而减小,且关节的动态解耦性能良好。以上结果验证了提出的解耦方法的有效性和关节转角偏移模型的准确性。     

基于变刚度驱动的下肢外骨骼

针对传统刚性驱动的外骨骼在复杂人机交互环境中柔顺性不足、无法保证人体安全等问题，设计一种变刚度下肢外骨骼用于康复训练。提出了一种可重构的变刚度原理，通过调整关节弹簧的预紧力来实现关节刚度的改变，同时通过滑轮组的重构来增大外骨骼的刚度调整范围。基于所提出的可重构变刚度原理，设计了用于驱动外骨骼主动关节的变刚度执行器，并进一步设计了变刚度下肢外骨骼的机械结构。建立了外骨骼的理论刚度模型，并对其刚度特性进行了仿真分析。搭建了变刚度下肢外骨骼的试验平台，对样机的刚度特性进行了试验验证。结果表明，试验得到的刚度曲线与理论模型吻合。基于变刚度驱动的扭矩-偏角特性，提出一种无交互力传感器的外骨骼行走跟随控制方法，并在不同速度下进行了行走跟随试验。试验结果表明，外骨骼与人体的最大交互力矩为0.8243 N·m，证明外骨骼可以跟随人体运动。     

面向人机交互的下肢外骨骼自适应轨迹跟踪

在可穿戴下肢外骨骼助力系统的轨迹跟踪控制研究中,针对系统存在人机交互力耦合,建立了人机耦合高阶动力学模型,提出了一种单自由度下肢外骨骼系统的人机协同控制策略.考虑系统存在的模型误差和外界干扰,采用了干扰观测器对系统总扰动进行动态观测和实时补偿;针对模型参数因人而异且难以准确获取的问题,设计了自适应反步滑模控制器;根据Lyapunov稳定性分析,证明了闭环系统渐进稳定.仿真结果表明系统能够快速准确地跟踪期望轨迹且具有较强的鲁棒性,验证了自适应反步滑模控制器的有效性.     

上肢康复外骨骼重力平衡特性研究

为了辅助偏瘫患者进行上肢运动功能康复训练,研制了一种具有重力平衡特性的上肢康复外骨骼机器人系统.首先介绍了外骨骼的机械结构设计以及基于Matlab/RTW环境的半物理实时控制平台.然后基于辅助平衡法建立了系统重力平衡模型,通过添加零初始长度弹簧以及辅助连杆来平衡外骨骼和人体手臂在康复训练过程中受到的重力.最后通过仿真和实验,比较不同平衡条件下所需要施加的关节驱动力矩和肱二头肌的表面肌电信号强度.在仿真中,重力平衡状态下的平均关节驱动力矩为非重力平衡状态下的14.89%.在两种不同任务的实验中,重力平衡状态下的表面肌电信号强度分别为非重力平衡状态下的57.61%和63.49%.结果表明,实现外骨骼的重力平衡可以有效减小工作过程中的驱动力矩以及能量消耗,并降低对驱动设备的性能要求.     

线驱无关节手指外骨骼的运动耦合方法

传统的无关节手指外骨骼线缆驱动方法在实施过程中会产生远端关节先于近端关节运动的错误动作顺序.为弥补该缺点,本文利用一对耦合的线缆,提出了一种面向无关节手指外骨骼的线缆驱动运动耦合方案——通过刚柔线缆的交叉使用避免了弯曲方向和伸展方向之间的运动干涉,并在保持传统无关节手指外骨骼驱动方案的简洁紧凑特点的同时使其能够输出正确的运动顺序.阐述了所提方案的工作原理,并对其进行了仿真分析;开发了实验假手并依照假手数据设计外骨骼零件,构建了实验平台,完成了运动耦合的运动学实验,验证了本文方法的正确性和可行性.