GA优化的RBF神经网络外骨骼灵敏度放大控制

为改善外骨骼机器人灵敏度放大控制(SAC)性能,结合遗传算法(GA)与径向基函数(RBF)神经网络建立在线计算外骨骼机器人的精确动力学模型.用GA优化RBF神经网络的中心矢量与基宽度,并对RBF网络的权值实时更新,在线学习外骨骼机器人动力学模型中的参数矩阵,进一步推导出SAC控制律.仿真结果表明:GA优化后的RBF网络,可以在线学习外骨骼的动力学模型,基于该模型的SAC能够实现精确的人体轨迹跟踪,相比于优化前,人体轨迹跟踪误差以及人机交互信息会快速减小并收敛到0的微小邻域内,可实现人机协调运动.     

外骨骼康复机器人的正向运动学仿真分析

针对外骨骼康复机器人,本文根据人手的功能和运动约束,对机器人进行模块化设计,并建立了机器人位置正向运动学方程及外骨骼康复机器人抓取杯子的仿真模型,运用ADAMS/Hydraulics模块进行运动学仿真,仿真结果表明,虚拟手指运动机构实现了角加速、匀速、减速的运动状态,并得出了康复机械手关节角速度在0～170rad/s范围内人手可以完成关节弯曲运动的康复运动。虚拟指模型的运动学分析为外骨骼康复机械设备的研究提供了必要的理论依据和参数。     

基于SimMechanics的六自由度机械臂轨迹规划研究

针对机械手臂在运动过程中出现的不稳定现象,本文利用多项式插值规划关节空间的轨迹,并利用Matlab中的SimMechanics建立逆运动学仿真模型,由轨迹规划模块得到的各关节变量的角度、角速度和角加速度来驱动各关节运动;同时对机械手臂末端轨迹规划进行分析仿真。仿真结果表明,仿真模型输出轨迹和预定轨迹相吻合,利用仿真模型可以准确、有效地得到外骨骼康复机械手臂的运动参数和运动轨迹,并实现了机械手臂匀加速、匀速和匀减速的运动状态。该研究对六自由度外骨骼康复机械手臂结构设计提出了建设性意见,也为外骨骼康复机械手臂的分析设计提供了可靠依据。     

外骨骼下肢运动步态的仿真研究

针对下肢运动障碍患者的康复要求和人体下肢行走时的步态规律,本文基于Pro/Engineer软件,对外骨骼的关节进行结构设计。分析了人体下肢的生理结构及运动步态,重点分析了步态周期内骨盆的运动规律,建立外骨骼简易三维模型,为验证此设计的可行性,采用Pro/Engineer软件进行仿真实验。仿真结果表明,外骨骼带动人体骨骼正常行走,而且各个关节的运动轨迹与正常人行走轨迹相近,说明对外骨骼关节的设计是可行的,能够满足患者的康复要求。该研究具有较高的实际应用价值。     

形状记忆合金驱动手指功能康复外骨骼设计

为了研制适应关节黏弹特性、轻便、可穿戴的手指功能康复装置,在分析手指关节、肌腱运动机理的基础上,设计形状记忆合金（SMA）丝驱动的手指功能康复装置.建立该装置的运动学模型和SMA驱动模型,提出基于SMA丝电阻反馈的模糊神经网络PID控制方法,研制手指功能康复外骨骼样机,进行样机的运动性能和控制性能实验.结果表明,仿生外骨骼实现了预期的手指被动康复运动,拇指、食指和中指的最大弯曲角度与人体手指的弯曲角度相近,分别为130.5°、236.4°、242.5°;仿生外骨骼能够辅助手指完成日常抓握动作;模糊神经网络PID相比于传统PID控制,有效缩短了仿生外骨骼的响应时间,手指的屈伸康复频率为6次/min.     

基于数据驱动的膝关节外骨骼控制

为了识别人体运动意图协调人机运动,采用二维激光测距仪采集地形数据进行在线识别,使用学习向量量化（LVQ）的方法,基于不同地形间的距离特征实现快速、准确的地形分类. 设计基于数据驱动的无模型自适应控制方法,基于膝关节角度的输入输出数据建立动态线性化模型,避免了人机外骨骼建模的复杂性和建模误差. 建立人机外骨骼模型,通过仿真得到正常行走时膝关节的先验力矩,引入先验力矩提高控制器的准确性. 搭建ADAMS和MATLAB联合仿真平台,选取平地路况进行实验. 实验结果表明,所设计的控制方法使得外骨骼膝关节对目标角度有良好的跟踪,对人体行走有较好的助行效果.     

上肢康复外骨骼机器人控制方法进展研究

上肢康复外骨骼机器人主要用于为上肢运动功能障碍患者提供科学有效的康复训练,以实现患肢运动功能恢复及日常生活自理。该文从控制策略的角度综述了近年来上肢康复外骨骼机器人的研究进展。首先,从不同时期的康复治疗需求的角度出发,对已有的控制策略进行主动、被动控制分类,并对不同的控制方法进行概述,分析了各控制方法的当前研究现状。最后,对上肢康复外骨骼机器人发展中一些关键的挑战进行讨论并展望了未来的研究方向。     

基于模糊PID下肢外骨骼机器人的控制技术

为研究下肢外骨骼机器人控制技术对轨迹跟踪的影响规律,首先对下肢外骨骼机器人进行结构设计,基于MSC.ADAMS软件建立了外骨骼机器人模型;借助模糊PID控制方法研究下肢外骨骼控制方法,分别研究了传统PID与模糊PID控制技术对外骨骼控制的影响规律;利用MATLAB与MSC.ADAMS实现了对外骨骼运动控制的联合仿真,并对比了输入步态曲线和实际跟踪曲线.研究表明:在相同条件下,模糊PID的控制算法相较于传统PID控制算法能够更快速和准确地跟踪步态曲线,并且能够更好地克服外部扰动.     

基于SimMechanics的工业机器人刚度分析

提出了一种利用Matlab/Sim Mechanics工具箱建模仿真的方法,根据机器人关节刚度与操作刚度的映射模型,分析工业机器人的刚度性能。为了在分析工业机器人刚度参数时规避奇异点,首先建立运动学仿真模型,通过跟踪工业机器人末端的轨迹,计算出机器人的工作空间;再建立施加负载的仿真模型,通过传感器模块输出位置坐标,并得到末端变形量,从而得出机器人的刚度参数;最后通过刚度指标与各个关节角度的关系,分析各个关节对刚度的影响程度。这种方法克服了传统方法对机器人进行运动学正、反解求解的弊端,同时避免了利用极限理论编程运算的复杂。     

被动式储能助力下肢外骨骼系统设计与仿真分析

为了达到缓解人体行走时的关节压力、减轻关节负担和辅助人体行走的目的,基于人体行走原理提出了髋膝耦合被动式储能助力外骨骼设计方案。髋膝耦合机构用于实现膝关节的离散化助力,是以髋关节运动控制膝关节助力的离合控制方法。该文运用仿真和实验验证的方法验证了该外骨骼的有效性。运用Adams对人-机模型进行联合仿真,验证外骨骼对人体助力的理论效果。在实际穿戴实验中,通过对比是否穿戴外骨骼人体运动时的能耗来验证外骨骼的真实有效性。对比仿真与穿戴实验数据证明该外骨骼能够降低12%～13%的人体运动能耗。     

基于Simulink的下肢外骨骼机器人模糊PID控制与仿真分析

为研究下肢外骨骼的轨迹跟踪控制,结合人体生物学特点及户外助力要求,设计了一款可穿戴式下肢外骨骼机器人。针对PID控制在轨迹跟踪时无法消除扰动的问题,为实现下肢外骨骼的柔顺控制,设计了一种模糊PID控制算法。首先在Solid Works上进行外骨骼结构设计,然后将外骨骼模型导入Simulink中搭建动力学仿真模型,对髋、膝、踝六关节驱动输入正常人体行走的力矩信息,在仿真模型中分别用普通PID控制器与模糊PID控制器对比控制效果,并对比了步态输入曲线与实际跟踪曲线。通过仿真结果对比可知,模糊PID控制相较于普通PID控制具有响应速度快、抗干扰能力强等优点。     

六自由度外骨骼手臂设计与仿真研究

针对康复机器人在短时间内治疗效果不明显等缺点,基于三维造型软件设计了—六自由度从外骨骼手臂模型,以获得穿戴者各关节的运动数据,以便传递给主外骨骼达到控制目的。建立D-H坐标系和齐次坐标变换,并进行了正运动学分析及仿真验证,仿真结果表明,在自然状态和各动作运动过程中,该模型角加速度的最大值为1.05×10-7rad/s2,上臂质心和前臂质心之间的最大变化量为19.1mm,变化的幅度很小,各关节可以实现预定的轨迹,并完成日常生活中简单的基本动作。该模型设计合理,为机构的控制提供了运动学参数。     

6-DOF上肢康复机器人的路径规划及实现

为了使康复机器人达到更好的康复效果,本文在机器人参数分析及结构分析的基础上,采用D-H方法建立运动学模型,在Matlab环境下,利用Robotics Toolbox工具箱对机器人建模,根据末端执行器初始与终止位姿,规划关节空间的路径轨迹,并利用Matlab软件对外骨骼上肢的运动和运动轨迹进行仿真,最后应用VC++构建机器人控制系统平台,并在实物样机上进行轨迹验证。验证结果表明,该设计可以实时观测各关节的运动角度与速度,从而验证仿真轨迹的正确性。该控制系统平台既可以进行单关节控制并实时显示关节的角位移图和角速度图,又可以实现多关节的联动控制,能够满足患者康复的不同需求,实用性较强,因此具有广阔的发展前景。     

基于模型的2-DOFs机器臂PID控制器仿真设计

针对肩/肘关节做屈展运动的两段两自由度机器臂的位置控制问题,本文主要对基于模型的2-DOFs机器臂PID控制器进行研究。对两自由度外骨骼康复机器臂建模,并建立基于模型的两段两自由度机器臂可视化的仿真环境,同时利用PID模块的自动调谐算法,辅以手工修整的方式,得到了能够满足控制要求的控制参数。仿真结果表明,在经不同比例增益放大后的跟踪信号,其波形与期望信号保持了良好的一致性,表明所设计的PID控制器满足要求。该研究为机器臂的实际控制提供了理论依据。     

手臂康复机器人阻抗控制实验研究

手臂康复机器人是一种用于因偏瘫、外伤等造成手臂运动障碍患者的辅助康复训练机器人,考虑到患者训练的安全性和舒适性,需要机器人有一定的柔顺性.对此,在控制模型中引入阻抗控制.建立并分析了手臂肌力训练模式目标阻抗控制模型,在此基础上进行了简化.建立了基于dSPACE实时仿真平台的半物理仿真实验系统,以回转关节为例,给出了不同控制参数下的力与关节角度曲线,分析了控制参数对控制效果的影响,结果表明控制模型的可行性和有效性.     

一种新型自适应康复外骨骼机构及重力平衡优化

针对上肢运动功能障碍患者,康复外骨骼机构在肩、肘关节康复训练中的应用越来越多,由于盂肱关节的浮动属性及难以避免的穿戴误差,人机对应关节的轴线难以始终保持对齐,致使人-机连接界面处产生较大的附加力/矩,严重影响训练效果及穿戴舒适度。为消除产生的附加力/矩,提出一种4R3P2R型自适应上肢康复外骨骼机构,并对其进行位置逆解及重力平衡优化。该型上肢康复外骨骼在肩、肘关节处采用PPRRRP和PRRR构型,支链PPRRRP与肩关节构成3-DOF恰约束人机闭链。同理,支链PRRR与肘关节构成平面2-DOF的恰约束人机闭链。在该外骨骼构型的基础上,建立人机闭链运动学模型,求其位置逆解,推导出任意位姿下外骨骼重力势能与上肢各关节转角间的函数关系。通过构型分析,可知外骨骼机构的第二主动关节主要完成肩关节前屈/后伸的康复训练,该关节受重力矩影响最为显著,因此,需对该主动关节进行重力平衡。在给定的上肢运动空间内,在外骨骼中添加零初长弹簧单元,以总势能波动最小为目标,建立重力平衡模型,对弹簧参数进行优化分析。进一步,对重力平衡模型进行数值仿真,结果表明零初长弹簧单元对外骨骼机构具有较好的平衡效果。     

4自由度上肢康复机器人结构设计与仿真分析

设计了一种4自由度外骨骼康复训练机器人,改善了当前康复机器人运动关节单一、康复训练空间有限的缺陷。参照人体上肢尺寸标准,应用SolidWorks绘制了机器人三维模型,根据DH法对机器人建立正向运动学模型,通过Matlab验证了模型的正确性。通过Adams对模型进行运动学仿真,验证了结构在不发生干涉的条件下能够实现多关节复合康复训练运动。同时对机器人工作空间进行仿真分析,验证了机器人工作空间与人体上肢的日常活动空间是相匹配的,能够满足患者上肢康复训练的要求,应用Matlab对抬臂屈肘康复运动进行轨迹规划,验证了整个康复运动平稳合理。     

下肢外骨骼机器人动力学参数辨识与步态跟踪

为了提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪的精度,对于下肢外骨骼二连杆动力学模型,提出一种静态与动态结合的参数辨识的实验方法,并结合穿戴者人体参数,得到人机协同系统精确的动力学模型。采用基于模型上界的滑模控制,并引入低通滤波器,进行MATLAB步态跟踪仿真。经仿真表明,髋关节和膝关节转矩的实验测量值与理论计算值的波形基本一致,动力学参数辨识结果正确;基于滑模控制的人机协同系统能够实现髋关节和膝关节对参考步态轨迹的精准跟踪,低通滤波器能够有效减小滑模控制引起的高频抖振。这为下肢外骨骼动力学参数辨识提供了一种解决方案,为基于模型的控制方法提供了一种参考模型,为下肢外骨骼人机协同系统的步态轨迹精准跟踪提供了一种参考方法。     

下肢外骨骼系统摆动相非线性干扰观测器设计

针对下肢外骨骼在运行过程中,穿戴者提供的主动力矩不确定问题,本文进行了基于干扰观测技术的摆动相控制方法研究。利用拉格朗日原理对简化后的实物模型进行动力学分析,建立下肢外骨骼摆动相模型。考虑模型的非线性、强耦合特征设计滑模控制器,基于干扰观测器对穿戴者的主动力矩进行估计,实现对滑模控制器的补偿,并对观测器/控制器综合设计的闭环系统稳定性进行证明。搭建下肢外骨骼控制系统仿真平台进行髋关节和膝关节的角度控制。实验结果证明,所设计的闭环系统对期望角度具有良好的跟随能力,可以有效抑制干扰的影响。     

上肢运动康复外骨骼肩关节优化设计与系统应用

针对脑卒中患者早期肌肉力量严重不足,需要密集重复性运动康复训练的情况,设计一套外骨骼机器人系统,并结合传统运动疗法提出镜像训练、示教训练和轨迹重复训练等训练模式.镜像训练通过健肢引导患肢运动,促使患者自主训练;示教训练由理疗师引导患肢运动,实现“一对多”分布式训练;轨迹重复训练能够按照理疗师指定的特定轨迹患肢进行动作重复训练.外骨骼机器人系统包含负责位姿检测的主外骨骼和负责动作辅助的从外骨骼2个子系统,两者具有相同的七自由度上肢串联运动学模型.根据人体肩关节旋转中心生理运动形式优化设计外骨骼自适应肩关节,提高了人机运动链相容性.临床实验结果表明:外骨骼系统能够为脑卒中患者提供安全可靠的运动训练.