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。     

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。     

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。     

外骨骼机器人系统中人体下肢关节力矩动态解算

利用下肢外骨骼关节位移传感器及惯性导航单元采集人体运动信息,计算获得下肢髋、膝关节的相对角度以及躯干的姿态和加速度,通过动力学逆解实时解算穿戴者运动所需的关节驱动力矩。在此过程中,利用人体五杆模型,对人体下肢的运动进行了运动学和动力学分析,通过Matlab/Simulink软件编程求解,得到了人体下肢关节在连续步态周期内关节力矩的变化,通过对比计算获得的支撑踝关节力矩值与足底力传感器实测值,证明了关节力矩求解方法的正确性,保障了外骨骼机器人能够根据此力矩对穿戴者提供助力。     

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。     

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。     

变杆长参数化四杆机构的运动学仿真

基于商用软件平台ADAMS,采用参数驱动技术创建了铰链四杆机构的运动学仿真模型和相应的人机操作界面,通过建模和运动学仿真,方便快捷地绘制了精确的四连杆机构分析图谱,实现了铰链四杆机构连杆曲线图谱的绘制功能,从而为四杆机构设计提供了准确的设计数据.该研究成果对于四杆机构运动轨迹选型和尺度综合具有一定的工程指导意义和应用价...     

一种减重外骨骼机构设计及动力学分析

随着社会老龄化,外骨骼技术逐渐应用于助老领域,针对存在下肢退化性关节炎老年人行走过程中需减轻自身重量对承重关节压迫的具体需求,分析了减重外骨骼构型特点,并在此基础上设计了一种基于2-UPS机构的减重外骨骼。外骨骼与人体通过骨盆及前脚掌连接构成单闭环,应用闭环矢量法建立外骨骼运动学模型。基于老年人常速行走过程中下肢关节角度变化关系,计算外骨骼主、被动运动副在一个步态周期的速度和加速度。应用拉格朗日法分别对行走过程中双腿支撑相和单腿支撑相进行动力学分析,并通过Adams仿真软件验证了动力学模型的正确性。     

一种多自由度可调节下肢康复外骨骼的设计与仿真

针对下肢受损、脑卒中等患者的康复训练,设计了一款多自由度可调节下肢康复外骨骼,利用丝杆机构代替传统腿部结构,并在腰部设有转动模块,能更好地实现人机协同。采用拉格朗日方法建立下肢外骨骼动力学模型,并计算了理论转矩;构建了下肢康复外骨骼模型,利用Ansys和Adams软件分别进行了有限元仿真和外骨骼运动学/动力学仿真。结果验证了结构设计的合理性,为后续下肢外骨骼制造与电动机选型提供了依据。