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。     

下肢助行外骨骼步态规划与仿真研究

针对目前大多数下肢助行外骨骼自身不能维持稳定行走与步态规划方法存在缺陷的现状，设计一种10自由度主动驱动下肢外骨骼；其步态规划基于静稳定性判据，采用重心投影法，利用构造函数规划重心及踝关节轨迹，进一步通过运动学计算获得完整步态周期内所有关节的运动轨迹；运用ADAMS构建人-外骨骼耦合运动虚拟样机模型，进行平地步行仿真，仿真得到关键点的空间轨迹与动力学参数，通过与规划的重心和踝关节轨迹对比，外骨骼能够实现预期运动并稳定行走，仿真结果表明所设计的步态规划方法合理有效。     

基于核化运动基元的外骨骼膝关节步态轨迹在线规划

为了提高外骨骼机器人的适应性与人机交互安全性,提出了一种基于核化运动基元的步态轨迹规划算法,可根据使用者步态状态实时调整步态轨迹.在外骨骼膝关节上对算法进行了验证.结果 表明,利用小样本量训练数据,算法能够通过在线调整形状参数,保证预测轨迹与参考轨迹的形状相似;通过实时检测步态相信息,并在期望点处对步态轨迹进行在线调整,可生成适应使用者状态变化的运动轨迹.     

仿人机器人参数化全方位步态规划方法

以实现仿人机器人稳定快速的全方位步行运动为目的,针对现有多体动力学模型描述的复杂性缺陷,及其他全方位运动策略不考虑步幅连接的问题,采用通用的运动学参数描述机器人的单步运行过程,并提出全新的全方位运动小车模型以描述步幅间连接约束,进而给出了步幅间过渡算法.在将全方位步行参数化的基础上,提出一种标准工况作为全方位运动的性能评价指标.通过动力学仿真和样机实验验证了该方法的有效性以及步幅连接算法存在的必要性.     

基于动态运动基元的6自由度下肢外骨骼步态轨迹规划与控制策略

针对下肢刚性运行过程中的步态轨迹规划问题,提出了一种基于动态运动基元的步态轨迹在线规划方法和控制策略。首先,使用足底压力进行步态相位分割;其次,使用线性倒立摆模型确定落地点位置,再运用逆运动学规划确定各关节角度,使用动态运动基元算法对以前的各个步态相位的运动轨迹进行在线学习;再次,将前面得到的关节角度作为目标终点进行实时步态轨迹规划;最后,根据生成的曲线按照控制策略对外骨骼控制。使用6自由度外骨骼对算法进行了验证,结果表明,使用所提算法可以有效根据步态相位的变换对步态轨迹进行实时在线学习和生成,同时可以保证一定程度的运动稳定性。     

基于环境感知与重建的外骨骼爬楼梯步态研究

重点讨论下肢外骨骼对楼梯环境的感知与重建,以及相应步态模式的规划算法。通过外骨骼前端的深度相机获取楼梯的点云信息,基于K近邻法寻找相似点,基于奇异值分解来估计每个输入点的法向量。采用区域生长算法并根据点的空间位置和法向量将点云分割成不同的区域,采用L-0范数最小化算法去除分割点云中的噪声。该方法通过对点云进行处理,从而获得楼梯的几何信息,将其用于步态规划算法,通过三维点云生成外骨骼步态。实验结果表明,该方法能准确测量楼梯的几何尺寸。     

基于实时意图识别的外骨骼机器人步态切换

根据外骨骼穿戴者的实时运动意图,切换外骨骼机器人的行走步态,是外骨骼机器人研究热点问题之一.针对外骨骼机器人能够根据穿戴者的运动意图控制步态切换问题,提出采集人体表面肌电信号进行解码,通过BP神经网络识别穿戴者的运动意图,实现外骨骼进行步态规划,利用关节角度与足底压力的相关性以及重心轨迹,对所规划的步态的稳定性进行分析,依据不同的运动意图完成步态进行实时切换,验证了基于实时意图识别控制的外骨骼步态切换的可行性.     

双足机器人NAO爬楼步态规划

双足机器人的爬楼梯性能是衡量其在复杂环境下行走能力的一项重要指标.本文针对双足机器人NAO爬楼梯步态规划问题,提出一种离线步态规划方法：基于几何法建立机器人爬楼梯逆运动学模型;将运动解耦为前向运动和侧向运动,对于起步、中步和止步三个阶段,采用加速度空间法和几何约束规划法,计算各关节运动轨迹,并基于其逆运动学模型,得到各关节角序列;分别基于NAOSim和NAO进行虚拟样机仿真实验和实物样机验证.实验结果表明,步态规划方法合理有效.     

双足机器人上楼梯步态的规划与控制

研究双足机器人上楼路径优化技术,为了让双足机器人实现稳定的上楼梯的行走,应规划双足机器人的上楼梯的步态.为解决对步态进行合理规划与稳定控制问题,提出用几何约束法,用摆线拟合踝关节运动轨迹,设计模糊控制器,对踝关节的滚转角度进行调整,使ZMP位置靠近支撑区域中心,保证了机器人的稳定行走;最后在ADAMS软件中建立了双足机器人的虚拟样机,并通过与Matlab的联合仿真,实现了双足机器人上楼梯的稳定行走仿真.仿真结果验证了上楼梯步态与模糊控制器的有效性,为系统设计提供了保证.     

基于人体特殊步态分析的下肢外骨骼机构设计

为使所设计的下肢外骨骼机构适用于各种常见步态,通过分析非平衡性、强直性、短肢性、不同步速、不同负重等5种常见特殊步态以及正常步态的实验数据,对下肢外骨骼机构各关节进行了集成液压套索驱动系统配置与优化,并完成了下肢外骨骼机构动力学模型的建立与计算.驱动系统的配置使下肢外骨骼机构各关节满足在各种常见步态下的运动学与动力学特征,优化则在保证驱动效率的基础上最大程度降低了液压缸的工作速度,利于其控制.动力学计算得出了当最快步速不低于1.3m/s时,下肢外骨骼机构各关节驱动系统所应具备的扭矩与功率等动力学参数.所设计的下肢外骨骼机构满足各常见步态的运动学与动力学性能要求.     

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SAE和LSTM的下肢外骨骼步态预测方法

提出一种基于栈式自动编码器（Stacked Auto Encoder,SAE）和长短时记忆（Long Short-Term Memory,LSTM）神经网络相结合的步态预测方法解决下肢外骨骼机器人跟随控制问题。人体在行走过程中下肢步态具有一定的周期性,通过将下肢运动信息作为输入,步态作为输出,构建SAE-LSTM神经网络模型,并利用Keras对SAE-LSTM神经网络进行搭建和验证。实验结果表明,SAE-LSTM神经网络根据之前时间段的步态序列有效地预测出下一时刻的步态信息,平均准确率能够达到92.9%以上。     

一种下肢康复机器人步态的生成与调节方法

针对下肢康复外骨骼机器人康复训练参考步态的标准化设计,对平地行走、上楼梯和下楼梯等不同情境下的步态轨迹的设计问题进行研究,提出了由无线惯性传感器采集人体步态,利用基于关键点的步态生成与调节方法,得到了融合过渡过程的参考步态曲线.利用得到的参考步态曲线指导下肢康复外骨骼式机器人辅助人体在平地行走、上楼梯和下楼梯等情景下进...     

面向仿人机器人自然步态规划的人体步行实验分析

自然步态规划方法是实现仿人机器人步态柔顺和能量优化的可行方法,该方法要求对人体步行及其平衡策略进行定量研究．本文分析自然步态规划方法的原理,建立了一套快捷有效的人体步态测试系统,并通过实验建立了人体步行的参数化数据库．实验结果揭示了人体步行的参数化特征及其平衡策略,对于仿人机器人的自然步态规划及控制提供了理论指导．结论特别指出,仅仅通过规划的方式实现仿人机器人的自然步态是不完备的,自然步态的实现必须同仿生控制策略相结合．同时实验结论对于仿人机器人的本体优化设计也提供了参考．     

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。     

基于模糊补偿的康复机器人的自适应滑模控制研究

针对下肢外骨骼机器人不确定模型及摩擦因素的轨迹运动控制问题,提出了一种基于模糊补偿的自适应滑模控制(FCASMC)方法。首先利用滑模控制思想设计非线性滑模面,设计滑模控制器实现系统的稳定性;接着采用模糊控制方法对其机器人中关节运动存在的未知摩擦项进行模糊补偿与逼近,减少未知摩擦项和外扰动等因素下对系统带来的稳定性影响;最后还采用了鲁棒项来消除补偿逼近误差所带来的影响,也可减少滑模方法所带来的抖振问题,从而使整个系统的稳定性进一步提高。最后,基于Lyapunov定理对所设计的控制器进行稳定性证明和仿真。仿真结果表明,设计的控制器可以很好地对不确定摩擦项进行补偿,机器人的关节运动轨迹跟踪能实现全局跟踪,提高了在今后实际工程中的应用研究价值。     

穿戴式柔性下肢助力机器人发展现状及关键技术分析

穿戴式柔性下肢助力机器人技术在康复医疗、助老助残、生活起居等方面具有广阔的应用前景, 具有质量轻、体积小、可穿戴性强、人机相容性好等优势.为促进我国柔性下肢助力机器人的研究和发展, 总结国内外在该领域的研究进展, 阐述了多种助力系统的组成、驱动原理和运动学信息等, 分析了各助力系统的辅助力/矩传递规律及其助力效果.同时, 对柔性下肢助力机器人所涉及的安全与可靠性、步态检测技术、驱动方式及控制策略、助力性能评估等关键技术进行了分析.在总结研究成果及分析关键技术的基础上, 指出柔性下肢助力机器人今后的发展方向、研究思路和面临的挑战.对于柔性下肢助力机器人及相关的研究工作, 具有一定的指导意义.     

基于遗传算法的四足机器人行走步态规划

因RoboCup四腿组比赛所采用机器人的关节刚度较低，采用固定形状行走轨迹的步态规划方法所产生的实际步态和规划步态偏差较大。这种偏差限制了机器人行走速度的提高。为了提高机器人的行走速度，在原有步态规划方法的基础上，引入200组坐标描述任意形状的机器人行走轨迹，并用改进的遗传算法寻找最适合机器人行走的轨迹形状。实验结果表明：改进的行走轨迹规划方法经学习后的实际步态更有利于机器人的行走，在行走更加平稳的同时可使机器人获得更快速的行走效果。     

上肢康复外骨骼智能控制综述

外骨骼的应用有望缓解我国康复医疗资源面临着的巨大压力。康复外骨骼应用的关键在于保证康复体验的安全、有效和舒适,而智能控制技术是回应这些需求的有效手段。本文基于智能控制系统的分层递阶结构,总结了近年来上肢康复外骨骼智能控制系统中各层级控制器的研究现状。主要包括上层控制器中的运动意图识别、中层控制器中的运动轨迹规划以及底层...