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。     

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.     

外骨骼机器人的人体步态感知系统设计

针对下肢负重外骨骼机器人与其穿戴者运动协调的问题,设计一种人体步态感知系统,对人体下肢关键部位的运动状态采集和预测。用6个MTI—30姿态传感器采集人体下肢的姿态数据;以ARM微处理器STM32F407为计算单元,对采集的步态数据解算、预测和传输;用非线性时间序列分析Takens算法预测人体下肢关键部位的旋转运动。实验结果表明：该系统功能稳定,能准确对人体下肢的步态数据采集和预测,预测结果稳定可靠,为外骨骼控制器提供可靠的参考信息。     

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。     

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。     

外骨骼离线参数化上楼梯步态规划

为扩大脊椎损伤患者在外骨骼机器人辅助下的活动范围而不仅仅只是起坐、站立和行走,提出一种离线参数化上楼梯 步态规划算法,该算法基于惯性测量单元检测穿戴者运动意图,基于足底压力传感器计算整个系统的零力矩点（ZMP） 以确 保上楼梯过程的安全性。 该算法根据人体大腿、小腿长度、楼梯高度和宽度等参数规划出关节的最优空间位置轨迹, 然后通 过逆运动学求解关节角度轨迹,该算法可为不同的穿戴者生成适应于不同楼梯尺寸的步态轨迹, 最后 3 名实验者穿戴外骨骼 在楼梯高度 18cm、宽度 26cm 的楼梯上实验,外骨骼按照规划的步态轨迹帮助穿戴者多次完成上楼梯任务,规划的楼梯尺寸 与实际测量的尺寸误差在 2%以内,通过实验验证了该算法的有效性与实用性。     

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.     

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。     

偏瘫患者辅助下肢外骨骼设计与仿真分析

针对偏瘫患者外骨骼康复机器人降低外骨骼质量的要求,设计了一种辅助下肢外骨骼机器人,采用柔索驱动的膝关节,具有结构简单,质量轻的特点。同时利用ADAMS建立了外骨骼关节柔索驱动的动力学模型,绳索模块建立了柔索驱动模型,通过Ariel生物运动分析软件,采集髋、膝、踝关节运动数据,运用Spline函数进行了仿真分析。经过仿真分析柔索驱动在上台阶运动过程中的不同拉簧预紧力和拉簧刚度下传动特性和驱动力矩,为进一步研究设计下肢外骨骼提供依据。     

下肢外骨骼机器人动态建模与步态跟踪LQR控制

针对下肢外骨骼机器人步态轨迹与参考轨迹存在较大跟踪误差的问题,提出一种线性二次型调节器(LQR)控制方法来取代常规PD控制.根据牛顿-欧拉方程和系统参数辨识,建立人机一体化的下肢外骨骼机器人系统的动态模型,并进行LQR控制参数设计和稳定性分析.仿真和实验结果表明,基于LQR控制的下肢外骨骼机器人能很好地跟踪步态参考轨迹...     

气动肌肉下肢外骨骼机器人轨迹跟踪研究

气动肌肉下肢外骨骼机器人是当下的热门研究话题,对外骨骼理想轨迹进行精确跟踪是研究重点。但是气动肌肉下肢外骨骼运动系统结构复杂,有着很强的非线性,传统的控制方法不适用于这类系统。文章以气动肌肉下肢外骨骼机器人为研究对象,首先对气动肌肉和下肢外骨骼进行了动力学分析;然后采用基于趋近律的滑模控制器来对这一复杂的系统进行控制;最后利用Simulink对气动肌肉下肢外骨骼机器人运动控制仿真。结果表明,基于趋近律的滑模控制器对气动肌肉下肢外骨骼机器人轨迹跟踪有很好的控制效果。     

基于嵌入式系统的下肢负荷外骨骼设计

为了提高人体的负重能力,展开了下肢负荷外骨骼系统的研究;系统主要由ARM控制器、仿生下肢、电机及其控制器组成;髋关节与膝关节安装气弹簧,并得到关节角度与气弹簧长度的关系;根据EPOS的数据帧格式,计算串口控制指令的循环校验码,得到串口控制指令,提高了控制器与EPOS之间的通信速率;针对板载A/D接口,编写了接口函数,数据误差率与测量信号成反比,工作范围内保持最大为5%。     

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.     

基于下肢角度特征的步态识别方法

基于人行走时的下肢角度变化包含丰富的个体识别信．幽观点,提出利用下肢角度特征进行步态识别的新方法。对每个步态序列,依据人体解剖学的先验知识定位下肢关节点,计算相邻关节点连线与竖直线的夹角,以此作为下肢角度;通过步态周期分析,提取一个步态周期的下肢角度变化序列作为特征向量表征步态。最后,采用针对小样本问题具有很好分类效果的支持向量机技术实现步态的分类决策。CASIA步态数据库上的仿真结果证明本方法具有较高的识别性能。     

下肢外骨骼机械结构的分析与设计

为了实现人的智能与机械的力量之间的结合,使人具备机械的力量、速度和耐力,正在设计用于实现负荷行走功能的下肢外骨骼.机械结构的设计是下肢外骨骼系统的关键技术之一.首先基于人体行走的生物学特征,阐述了下肢外骨骼机械结构的设计方法.然后利用零力矩点(ZMP)稳定性理论,分析了外骨骼的动态稳定性的特点.最后在ADAMS中建立了外骨骼的虚拟样机模型,对外骨骼行走模型进行了仿真,通过对比仿真结果,验证了模型ZMP处于稳定状态,从而说明利用ADAMS虚拟样机仿真的可行性.     

基于非线性干扰观测器的下肢外骨骼上楼梯滑模控制

针对下肢外骨骼在轨迹跟踪时对内部参数扰动和外界干扰较为敏感的特性,设计一种基于非线性干扰观测器的下肢外骨骼机器人滑模控制策略。首先建立下肢外骨骼上楼梯的动力学模型,分析其动力学特性;其次设计非线性干扰观测器,对下肢系统的不确定性和外部干扰进行观测;在此基础上,为保证系统轨迹跟踪误差的收敛性和减弱抖振,设计了低通滤波的滑模控制器,根据李雅普诺夫稳定性理论证明了下肢系统的稳定性;最后通过仿真与实验验证,该控制策略能够有效克服多种因素引起的干扰,改善系统的控制性能,提高系统的稳定性。