人体下肢外骨骼机器人的发展及关键技术分析

下肢外骨骼机器人具有增强人体机能和辅助下肢康复训练的功能,在军事和医疗领域具有很好的发展前景,逐渐成为机器人领域的研究热点。本文分别介绍了增强人体机能的下肢外骨骼机器人和医疗下肢外骨骼机器人的国内外最新研究现状,概括并分析了与之相关的关键技术,探讨了下肢外骨骼机器人的今后发展方向。     

基于事件检测的下肢康复外骨骼服的设计

下肢康复外骨骼能辅助或替代医师完成下肢康复训练,并能帮助患者自立,重新融入社会。设计了一种基于事件检测的下肢康复外骨骼服,所谓事件是指人机接口获得的一些状态序列。基于事件的运动意图检测主要有两个目的:第一,以透明的方式检测穿戴者的运动意图;第二,提高运动意图检测的准确性和容错性。提出的下肢康复外骨骼服包括仿生机械结构、人机接口、控制器、电机驱动子系统和电源子系统。仿生机械结构用于支持骨骼服的重量以及穿用者的身体。电机驱动子系统采用盘式电机带动骨骼服的膝关节和髋关节。人机接口子系统通过传感器和传输网络,运用基于事件的运动意图检测技术感知患者的运动状态和运动意图。控制器采用位置闭环控制。仿真结果表明了系统的可行性和实用效果。     

柔性下肢外骨骼机器人研究进展及关键技术分析

首先简要描述了下肢外骨骼机器人在康复、工业以及军事等领域的应用需求,并对刚性与柔性下肢外骨骼系统（RLEEX/SLEEX）的优缺点、研究难点和适用人群进行了分析与对比．然后,对国内外研究机构在柔性下肢外骨骼机器人方面的研究历程与进展进行详细综述,重点描述了系统样机的结构与驱动特点、传感器布局方式、控制策略搭建以及助力效能评估等几项研究内容．最后,围绕柔性结构、意图识别、控制策略及助力评估共四方面关键技术进行了总结,并对未来发展趋势进行展望．     

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人研究进展

对于脊髓损伤、脑损伤等因素导致下肢运动障碍的患者,利用下肢外骨骼康复机器人可在患者损伤早期进行精准康复,并在康复过程中优化康复策略。本文详细对比了下肢外骨骼康复机器人相比于传统康复方法的优势,并结合国内外研究现状阐述了不同外骨骼机器人的设备特点及应用场景,详细分析了机器人的驱动方式、控制系统以及训练模式等关键技术。最后,着重探讨了下肢外骨骼康复机器人未来发展所面对的挑战,并针对机械结构优化、驱动算法优化、康复流程智能化、基于虚拟现实技术的应用场景优化及康复效果评估等5方面提出了可行的探讨,对下肢外骨骼康复机器人未来的技术发展趋势作出可行分析。     

绳驱动上肢外骨骼康复机器人穿戴机构设计

为了降低绳驱动并联外骨骼的结构不稳定性所带来的运动学建模误差,改善外骨骼对不同穿戴者的适应能力,提升外骨骼的穿戴舒适度,提出了一种新型穿戴机构并应用于绳驱动并联上肢外骨骼康复机器人CURE-7.首先,介绍了一种绳驱动外骨骼康复机器人,该外骨骼具有特制的穿戴机构,兼具绳驱动设备和并联机构的优点;然后,设计穿戴机构的欠驱动穿戴模块和柔性肘关节,建立外骨骼的运动学模型并对关键参数的影响进行了研究;最后,开发了穿戴机构样机并安装于外骨骼上,进行了健康人的运动轨迹跟踪实验和手臂穿戴外骨骼时的受力实验以证明穿戴机构的有效性.实验结果表明,通过采用新的穿戴机构,受试者肘关节前屈运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约41％,肩关节外展运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约30％,穿戴压力最大值降低了约23％,不同部位的压力方差也有较大幅度的降低.     

下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展

下肢外骨骼康复机器人是专门针对下肢运动障碍及行动不便者,提供康复锻炼的智能化装备, 其发展对于中国康复事业具有重大的理论意义与实际应用价值。人因工程研究可有效提高下肢康复机器人 HRI 人机交互安全性与交互效率。因此,深入探讨国内外下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展,对其研究现状、 发展趋势进行总结归纳。通过文献检索方法对相关文献进行分析,发现人机交互、步态行为、结构设计、安全 问题等是下肢外骨骼康复机器人人因工程领域的研究热点,并从人因出发,系统梳理国内外下肢外骨骼康复机 器人人因工程研究进展和发展动态,提出我国在下肢外骨骼康复机器人人因工程领域所面临的挑战,研究重点 和未来发展趋势。     

下肢康复外骨骼机器人模糊PID控制研究与仿真

下肢康复外骨骼机器人具有多输入多输出的结构,且不确定性与非线性都很高,经典PID控制已经不能很好地进行精确控制。结合经典PID控制与模糊控制,并加入了开关结构,最终采用开关式模糊PID控制来对机器人进行控制研究。使用ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）建立机器人模型,在Matlab/Simulink中建立控制图。驱动输入采用正常人体步态行走时的力矩信息,通过两个软件的联合仿真,得到跟随曲线与目标曲线的对比图及误差图。结果表明,开关式模糊PID控制具有良好的精度且响应速度较快。     

外骨骼机器人关节驱动及优化研究

随着工业4.0时代的到来,我国正加速向工业4.0迈进。以智能制造为主导,将工业机器人和传统制造业有机结合,充分利用先进技术实现产品质量、安全和生产效率的提高。外骨骼机器人作为一种特殊机械设备,是为改善下肢功能障碍人士及行动不便人士而设计的。外骨骼机器人能在特定的环境下帮助运动机能障碍人士进行训练和生活自理功能重建,并且其机械关节驱动系统能够对关节进行运动控制。在外骨骼机器人设计过程中,采用动态驱动、伺服驱动器、自适应可调节关节及柔性传动装置。通过建立某医院辅助服务外骨骼机器人的动力学模型和电机驱动参数库,提出一种优化外骨骼机器人驱动系统的方法。     

下肢负荷外骨骼的变负载控制研究

下肢负荷外骨骼需要在变负载情况下实现助力的功能,外骨骼应能准确地跟踪人体的期望运动轨迹。为此,基于系统的动力学模型,提出了鲁棒自适应PD控制方法。该方法将系统外界的干扰、关节摩擦和噪声统一为上确界已知的干扰项,在控制器设计时引入中间变量,计算出以关节变量为参数的回归矩阵和一个描述外骨骼质量特性的未知定常参数向量,利用回归矩阵和引入的中间变量设计自适应律。仿真结果表明,外骨骼能够准确跟踪上期望的运动轨迹,系统的鲁棒性得到改善,实现了系统变负载控制的目的。     

基于ZMP下肢外骨骼机器人自平衡策略

随着社会老龄化的加剧,我国脑卒中的患者不断增多,这给我们国家和社会带来了极大的负担。文章推出了一款新型助力下肢外骨骼机器人,为这些患者的康复提供可行性方案。助力型下肢外骨骼的一个关键问题是行走过程中保持步态的稳定性,防止佩戴者摔倒。文章用滑模控制的方法提出了一种下肢外骨骼的控制策略,该策略可以减少外骨骼的干扰并且保持行走的稳定性。设计了步态稳定性的评价标准,然后设计了一种基于ZMP的控制策略。实验表明,该控制策略可以有效地减少下肢外骨骼的干扰,保持佩戴者的行走稳定性。     

基于外骨骼的可穿戴式上肢康复机器人设计与研究

为辅助对患肢进行高强度标准化康复训练工作,研制了一种基于外骨骼原理的可穿戴式4自由度上肢康复机器人.该康复机器人可实现肩关节水平方向外展/内收、竖直方向上摆/下摆和旋转运动以及肘关节的屈/伸运动.首先根据康复医学原理确定出人手臂各关节的运动角度范围,并在确保驱动力矩最小的原则下进行结构设计.然后,对各结构进行了运动学与动力学仿真分析,并据此对结构进行优化.最后,设计了康复机器人在连续被动康复运动(CPM)模式下的控制系统.实验结果表明,此结构方便穿戴于人体,机器人的运动自由度与人体运动自由度同轴,能有效地对患肢前、后臂各部位进行支撑和牵引,精确地施加牵引力于上肢的各关节.     

下肢外骨骼机器人变步长步态规划方法

为了解决下肢外骨骼机器人连续步态规划问题,基于倒立摆模型提出了一种步态规划算法,并针对传统倒立摆模型无法变步长连续行走的问题提出了新的改进方法。将外骨骼机器人分成支撑腿和摆动腿两部分,分别采用D-H法进行运动学分析;利用倒立摆模型和固定函数法,进行等效质心与摆动腿末端轨迹规划;在相邻单脚支撑期之间插入双脚支撑期,使下肢外骨骼机器人在不断改变步行时,利用双脚支撑期进行位置和速度的切换,实现实时步态规划;将规划算法在SIMULINK中实现,并与ADAMS模型进行联合仿真,下肢外骨骼机器人在仿真环境下行走稳定,证明了算法的有效性。     

基于BP神经网络补偿的下肢外骨骼位置控制

坐卧式康复外骨骼机器人可以帮助下肢功能障碍患者进行康复训练,为实现康复训练的位置控制目标,通过深入分析人机耦合关系,建立包括穿戴者、外骨骼在内的耦合运动学/动力学模型,提出了基于人机混合系统动力学模型的带前馈补偿项的PD控制算法,然而为了实现良好的运动轨迹跟踪性能,必须在位置控制算法中加入对不确定项的补偿,因此提出一种基于BP神经网络补偿的位置控制算法并通过仿真验证算法的高效性。     

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.     

一种下肢外骨骼机器人随动控制算法的研究

随动控制算法对下肢外骨骼机器人的助力效果起着决定性的作用。根据零力控制算法及下肢外骨骼机器人的运动特点,提出了一种末端随动控制算法,并给出了算法推导过程。最后通过Matlab仿真验证了该算法的有效性。     

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.     

下肢康复机器人系统设计与协调控制算法

脑卒中、脊髓损伤、下肢退行性关节疾病等神经系统疾病会导致肢体功能障碍,需要进行有针对性和重复性的训练.本文设计了一款可以切换坐、立、躺三种模式的轮椅式下肢康复机器人,在机器人站立姿态的主动步行训练模式下,解算人体前进速度映射轮椅式底盘电机速度,实现了下肢功能障碍患者步态训练与机器人轮椅式车体的协调控制.实验结果表明,下肢外骨骼行走的速度曲线和轮椅式车体的速度曲线基本一致,实现人与机器人的协调控制.     

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.     

下肢康复外骨骼人机耦合动力学建模与控制

在行走过程中,患者与外骨骼之间的交互力,决定了患者使用外骨骼的安全性、舒适度以及外骨骼的性能,因而在康复外骨骼的相关研究中受到广泛的关注.本文以可穿戴式的下肢康复外骨骼为研究对象,考虑了患者和外骨骼的耦合作用,给出了人机交互力模型,同时考虑了足底-地面接触力的影响,从而基于第一类拉格朗日方程建立了人机耦合的动力学模型....     

基于SMA驱动模块的腕部柔性外骨骼设计

针对外骨骼机器人在仿生性、便携性及人机交互性上的问题,提出了一种基于形状记忆合金(SMA)驱动模块的腕部柔性外骨骼.首先,研究SMA弹簧的最大可回复拉伸长度与相变温度特性,建立SMA驱动模块的SMA弹簧与锰钢片的混合模型.然后,根据人体腕关节运动范围和所需拉力,对该混合模型进行参数优化.最后,提出了一种弹性元件势能、风冷和高低电流切换混合的SMA弹簧冷却方法,设计了基于运动角度和相变温度反馈的控制方法.为了验证腕部柔性外骨骼的实际使用效果,进行穿戴训练和测温实验.实验结果表明,该外骨骼的仿生性和柔顺性符合人体腕关节运动特性,其轻质、便携性可提高日常生活活动辅助效果.