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。     

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。     

基于人行走能耗分析的踝关节外骨骼设计

基于对人体行走的能耗分析,设计了一种新型有源无动力踝关节外骨骼。首先,基于耦合摆模型建立人体行走摆动相动力学方程并采用打靶法求解。根据动量守恒原理分别计算摆动腿膝关节锁定、脚跟着地以及关节摩擦引起的能耗率。计算结果表明,脚跟着地引起的能耗率远大于膝关节锁定和关节摩擦引起的能耗率。然后,基于该能耗分析结果设计了一种足底弹性储能机构将脚跟着地时的能耗存储起来,在跖屈蹬地阶段释放助力。通过前脚掌压力信号控制电磁铁驱动的离合机构,实现对助力弹簧夹紧与释放的状态切换。样机实验结果表明：足底储能机构可以提高外骨骼的输出力矩和功率,提升助行能力;外骨骼的最大输出力矩为19N·m;穿戴该外骨骼行走时小腿三头肌激活度相较于不穿戴时最大下降约8.6%。踝关节角度测量结果表明,在摆动相期间外骨骼很少干扰穿戴者踝关节的正常活动。     

助力型外骨骼行走模式下多关节动力分配仿真分析

助力型外骨骼是一种人机高度结合的复杂机械结构。为了研究外骨骼在行走模式下负重50 kg时各关节所需驱动力矩以及功率变化规律,本文以西南交通大学第三代助力型外骨骼为研究对象,建立外骨骼模型,运用拉格朗日方程对外骨骼进行动力学分析。为实现外骨骼与人体的携行运动,通过姿态传感器对人体行走过程中关节角的变化规律进行了测量与分析,并将其作为驱动函数对ADAMS环境中的外骨骼虚拟样机进行动力学仿真,得出各关节驱动力矩变化曲线,并拟合出各关节功率曲线。所得结果增加了人机携行性以及结果的可靠性,为助力型外骨骼的驱动控制提供了参考依据。     

基于重力势能转化的下肢外骨骼设计与动力学研究

基于人体重力势能转化的弹性助力原理,设计了一款下肢外骨骼,其类型为被动式,可为髋关节提供助力。依据拉格朗日方程建立了下肢外骨骼数学模型,研究了该模型在释能阶段的髋关节转矩。利用Adams软件建立了下肢外骨骼动力学仿真模型,通过数理统计的方法对比了数学模型和动力学仿真模型髋关节转矩的计算结果,得出两者高度相关。利用Adams软件仿真分别得出了人体在穿戴下肢外骨骼和不穿戴下肢外骨骼情况下释能阶段的髋关节转矩曲线,以髋关节做功值为依据对两组髋关节转矩曲线做了对比分析。结果表明,穿戴下肢外骨骼时,释能阶段髋关节做功值减少了19.29%。最后,以储能弹簧刚度与预拉力为设计变量对下肢外骨骼髋关节转矩进行优化,得出最适储能弹簧刚度下穿戴下肢外骨骼时髋关节做功值比不穿戴下肢外骨骼时减少了26.00%。     

一种助力髋关节伸展和屈曲的柔性外骨骼机器人

随着下肢外骨骼机器人的发展,出现了各种各样应用于医疗康复等领域的刚性外骨骼.刚性外骨骼会增加下肢额外的惯性力并限制人体运动的自由度;与刚性外骨骼相比,柔性可穿戴下肢外骨骼则可将一些对人体运动的影响因素减至最小.根据人体在行走过程中髋关节动力学变化,设计了一种为髋关节伸展和屈曲提供助力的柔性外骨骼.根据髋关节的关节力矩和...     

下肢步行助力外骨骼机器人的模糊自适应PID控制

针对人体生物学特点及户外步行助行要求,设计了一款下肢步行助力外骨骼机器人。为实现外骨骼机器人对人体下肢助力柔顺性目标,研究并提出了模糊自适应PID控制方法。在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型,比较外骨骼关节力矩控制分别采用传统PID及模糊自适应PID控制算法的跟随效果。由仿真和试验结果可知,模糊自适应PID算法相较于经典PID算法具有响应速度快、超调量小等优点。模糊自适应PID算法对关节力矩跟踪效果有明显改善。在步态周期30%～40%时,误差最大;在步态周期15%～20%时,误差最小,为0.5 N·m。模糊自适应PID算法力矩跟踪曲线更加平滑,与参考输入幅值更为接近,支撑相最大误差为7%,且可以有效抑制外骨骼助力行走过程中带来的关节抖动。力矩跟踪能够达到理想的跟随效果,能够使得不同穿戴者的髋关节助力更加柔顺。     

可穿戴型下肢外骨骼助力机器人设计与研究

为拓展人体下肢关节机能,完成特定环境下的人机协同作业任务,介绍了一种可穿戴型下肢外骨骼助力机器人。在研究人体行走特点和下肢助力需求基础上,实现了外骨骼的机械结构设计与建模计算,针对外骨骼作业特点设计了电液伺服助力系统;通过虚拟样机运动仿真与外骨骼行走实验,匹配了驱动器与外骨骼的运动范围并优化,通过外骨骼辅助人体辅助站立实验验证了外骨骼与人体下肢运动范围匹配性及助力效果等,实验结果表明外骨骼助力机器人设计可行。     

基于柔性膝关节的外骨骼设计与动力学研究

为了兼顾外骨骼动力的线性输出与穿戴过程的安全性,设计了一款包含助力与缓冲两种工作模式的下肢外骨骼。首先,对外骨骼膝关节缓冲器及整机模型进行了参数计算与结构设计;然后,对其做动力学分析并通过Matlab计算得到关节理论力矩;将计算所得参数与理论力矩分别代入Adams,对两种工作模式下的外骨骼进行仿真试验;通过对比仿真结果与人体运动标准数据,证明外骨骼助力模式可基本满足穿戴者正常行走需要,缓冲模式可在突发状况下缓冲刚性冲击。研究结果为后期系统的控制与模型制造提供了重要的理论依据。     

助力下肢外骨骼双膝蹲-起立过程动力学研究

为研究助力下肢外骨骼双膝蹲-起立过程中各关节的驱动力矩,将助力下肢外骨骼视为三自由度的刚性结构系统,建立动力学模型。以达朗贝尔定理推导出双膝蹲-起立过程动力学表达式。为实现助力下肢外骨骼与人体高度偕行,对人体双膝蹲-起立运动过程进行实验分析,以MATLAB为平台分别对负重40kg和无负重下肢外骨骼各关节驱动力矩进行数值计算。根据分析结果得,膝关节在负重40kg时驱动力矩最大,峰值为209.20N·m,平均为75.85N·m;髋、踝关节驱动力矩相对较小,工作能耗低,在无负重状态下仍需9.87N·m和38.80N·m的驱动力矩,能量损失较多;踝关节为保持稳定性导致有较大波动。     

膝关节康复机械腿的摆动控制研究

针对膝关节康复外骨骼的摆动训练需求,对外骨骼机械腿的人机交互控制策略进行了研究,并对现有下肢康复外骨骼的控制策略进行了归纳,提出了一种基于导纳原理的等效惯量补偿控制方法。首先,根据人体膝关节康复训练具有周期重复性的特点,在等效惯量补偿控制方法中引入自适应频率振荡器,从而在穿戴者摆腿运动中获取了稳定的频率及相位运动模式信息;然后,对穿戴者的下肢关节力矩进行了估计,生成了一个同周期的助力力矩,且在相位上和穿戴者下肢的肌肉力矩趋于同步;最后,对膝关节外骨骼机械腿进行了补偿控制及先慢-后快-再变慢的运动控制实验研究。研究结果表明:外骨骼机械腿能模拟康复运动所需模式,并拥有良好的摆动效果。     

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。     

负重外骨骼机器人的设计及其运动学动力学仿真

介绍了人体下肢骨骼结构以及人体步态数据,并在此基础上创建了下肢外骨骼机器人的零件模型及其装配体模型,然后将装配体模型导入到MSC.ADAMS软件中,进行运动学和动力学仿真。仿真结果表明:该外骨骼机器人结构合理,能够保证机构运动的灵活性与穿着舒适性;其次是动力学仿真结果反映了外骨骼机器人各关节处所受载荷的变化规律。     

无动力储能式辅助负重外骨骼弹簧刚度优化

针对目前重物搬运困难、人体搬运效率低的问题,提出一种含弹簧储能元件的辅助负重下肢外骨骼,并对其刚度进行优化。首先,建立了该外骨骼的运动学模型,明确了各部件的运动关系;其次,通过建立步态支撑周期内的力学模型,确定各关节由负载产生的力矩与刚度的关系;最后,以各关节由负载产生的有效转矩之和最小为目标、以刚度为参数建立模型,采用遗传算法进行刚度优化,并穿戴实体样机进行实验验证外骨骼性能。结果表明:穿戴对刚度进行优化后的无动力外骨骼可有效降低人体在负重行走时的能耗,减小人体骨骼受力。     

一种下肢外骨骼助行康复机器人及康复评价方法

针对下肢瘫痪患者的康复训练需求,设计了一种下肢外骨骼助行康复机器人。描述了外骨骼机器人的机械结构。设计了基于关节角位移的闭环控制系统,将VICON运动捕捉系统采集的正常人体下肢运动关节角作为参考输入信息,控制受试者穿戴外骨骼进行行走、上下台阶动作。完成系统调试后,采用VICON运动捕捉系统捕捉受试者在该控制系统下的步态,并与正常人体步态作对比,验证了控制算法的正确性。定义了下肢康复评价标准RMP,使用设计的外骨骼康复机器人进行患者跟踪康复训练实验,验证了助行康复机器人的有效性。     

五连杆外骨骼助力系统行走步态模型能量补偿

人体行走过程包括支撑和摆动两相,脚后跟触地改变系统几何拓扑,使得步态变化不可导。外骨骼助力系统正常工作时运动状态与人体步态一致。文中运用位移激励法建立了一个支撑相过程中由驱动方程和约束方程组成的外骨骼行走步态模型拉格朗日方程组,通过三维捕捉系统确定人体不同负载下行走步态,通过方程组逆求解求得广义驱动力。脚跟触地导致系统能量损失,运用运动数据相空间分解方法分离出损失部分动能。理论计算出单腿支撑行走过程系统功率补偿密度和脚后跟触地瞬间动能损失,绘出各关节驱动功率时程变化曲线并对关节驱动器设计做了探讨。     

下肢负重外骨骼机械设计及分析

设计了一种可穿戴式的下肢负重外骨骼机器人,它能够为帮助人们助力,助行。介绍了人体各个关节转动需要的自由度。对外骨骼的各个关节进行分析、设计。设计了液压伺服系统,计算了液压缸上需要力的大小。为了验证模型的可行性,将样机穿戴在人体模型上,导入到ADAMS中进行动力学仿真,得到各个关节的转动情况,证明机构的可行性。     

面向半失能老人的无动力外骨骼分析及设计

基于半失能老人步态特征,建立了人体下肢运动学模型,推导了人体行走动力学方程,在此基础上,设计了面向半失能老人的无动力下肢外骨骼结构。为了便于用户穿戴,基于人体工程学,完成了外骨骼绑带等柔性部件结构的设计及外观设计。为验证文中设计的外骨骼性能及可靠性,加工了无动力下肢外骨骼样机,并进行了相关测试及实验。     

下肢外骨骼康复机器人动力学分析与仿真

下肢外骨骼康复机器人动力学模型的准确建立,是实现机器人精确控制的前提条件。文中将下肢外骨骼机器人简化为7杆模型,并将下肢运动周期划分为单腿支撑和双腿支撑两个阶段,采用拉格朗日方法建立外骨骼康复机器人系统的整体动力学模型。通过人体下肢运动的实时动作捕捉及其运动轨迹的数据分析,得到人体正常行走时的关节运动规律,推导出各个关节所需的驱动力矩。利用SolidWorks建立机器人三维简化模型并导入ADAMS软件进行动力学仿真,验证了理论推导的准确性,为机器人电机的选型和控制系统的设计提供了理论依据。     

下肢外骨骼机器人踝关节建模及动力学仿真

下肢外骨骼机器人是一种具有辅助助力和医疗康复功能的智能型机械装置。本文通过对人体踝关节结构分析,设计了被动气弹簧踝关节下肢外骨骼机器人,并建立了被动踝关节力学模型;利用OpenSim获得了正常人行走时一个步态周期髋、膝关节步态数据,将其导入ADAMS对所设计的下肢外骨骼机器人踝关节未加气弹簧和加气弹簧两种模型进行了动力学仿真,通过对两种模型运动曲线对比分析,验证了所设计的下肢外骨骼机器人在步态行走和动力学方面的可行性和正确性。