下肢外骨骼机器人动力学分析及设计

目前我国军事在单兵装备方面不断增加与升级,同时士兵自身负担也在不断加重,运动也不再灵活,在身体机能与抵抗力不断降低的基础上,士兵难以以充足的战斗力参与到战争当中。因此,本文针对人类下肢的步态与自由度相应特点,结合单足与双足的支撑期实现动力学方面的分析,并建立相应科学的模型,并对人体下肢登台阶当中功率的变化,综合分析各关节相应驱动的方式。同时结合科学的软件对其实现设计与验证。     

模块化外骨骼机器人设计方法

提出了一种针对原创设计的模块化方法,将其运用于外骨骼机器人的设计中。利用KusiakChow聚类算法将机器人零部件模块化,采用2个优化评价准则进一步进行优化设计。模块化的外骨骼机器人可以通过重构迅速满足多种康复需求和市场需要。此方法可以运用于其他原创设计概念设计阶段的模块化优化,从而达到在概念设计阶段将设计模块化的目的,使产品能通过模块化实现快速功能拓展和易于后期维护。     

一种食指康复外骨骼机器人设计与分析

针对现有手部康复机器人精细化操作不足与人机相容性较差的问题,从脑卒中临床康复需求出发,基于人体解剖学理论,提出一种新型欠驱动食指外骨骼康复机器人。采用2-UPS并联机构与鲍登线的新型组合设计,实现了掌指关节二自由度主动康复运动,提高了机器人精细化操作能力;在设计过程中将指骨作为人机闭式运动链的组成部分,并探讨了食指屈曲/伸展与内收/外展运动的耦合关系,完善了患者康复训练中的约束条件,使机器人运动与人体自然运动更加协调,提高了机器人的人机相容性;求解了机构的运动学反解,分析了机构的工作空间并完成了仿真验证;搭建实验样机并开展了机构性能测试,基于对15个被试开展的人机工程学与康复运动舒适性的调查问卷结果,采用层次分析法对设备进行了评价,结果表明该机构可以满足使用者的康复需求。     

下肢康复外骨骼机器人结构拟人设计与运动学分析

下肢康复外骨骼机器人是一种可以辅助脑卒中导致运动功能障碍患者肢体运动和康复训练的机器人。基于人体下肢生物力学特点,提出了下肢外骨骼机器人设计方案,研究了下肢康复外骨骼机器人的机构设计原理及过程。针对外骨骼髋关节的关键零件设计进行详细阐述,研究了准拟人化设计的比例参数,使用了拓扑优化方法对膝关节电机架进行轻量化设计。基于D-H法分析了外骨骼机构的运动学关系,得到坐标转换矩阵。通过ADAMS软件进行运动学仿真,验证了运动学分析的可靠性。     

外骨骼负重机器人液压缸的设计

首先介绍了外骨骼负重机器人的基本组成和工作原理.然后利用动力学仿真软件ADAMS建立外骨骼机器人的虚拟样机,并进行动力学仿真,获得了行走过程中膝关节的驱动力矩.最后根据仿真结果对外骨骼负重机器人驱动系统的驱动器液压缸进行设计.     

下肢外骨骼行走康复机器人研究与设计

外骨骼机器人是一种可穿戴在操作者身体外部的一种机械装置,提供保护、身体支撑和运动等功能。文中设计了一种外骨骼行走康复机器人,该外骨骼康复机器人单下肢具有3个自由度,利用较少却必须的自由度来实现行走,降低了机构的复杂程度,提高了装置的效率,借助此外骨骼辅助患者摆脱轮椅站立起来并行走,通过采集拐杖与地面的接触信息来控制膝关节和髋关节的屈伸运动,从而帮助患者实现跨步。     

一种外骨骼机器人的移动机架设计与仿真分析

针对下肢康复外骨骼受众面小,应用环境受局限的不足,设计了一款康复机器人移动机架,不但可以加大下肢康复外骨骼的受众面,保证用户的康复效果,还能够保证用户在使用下肢康复外骨骼时具有良好的安全性。文中使用三维建模软件SolidWorks进行三维模型的搭建,并针对移动平台与外骨骼的连接部分进行了详细设计。使用有限元仿真软件Hypermesh对结构进行了静力学和一阶、二阶模态分析,证明了所选材料与设计结构满足实际要求,通过振动频率计算,证明了不会与外骨骼发生共振。使用动力学仿真软件MSC Adams对康复机器人移动机架进行了运动仿真,证明了其在±5°陡坡、颠簸路面的良好通过性。     

一种多功能下肢外骨骼机器人的设计与仿真分析

针对老年人以及下肢运动障碍患者的康复训练和运动代步的需求,设计了一种多功能下肢外骨骼机器人,利用辅助起立机构和腿部外骨骼实现对使用者下肢的康复训练。分别了建立外骨骼机器人单腿支撑阶段和双腿支撑阶段5杆模型,采用拉格朗日方法推导出动力学模型,计算各关节所需的理论力矩;建立虚拟样机模型进行动力学仿真,仿真数据与理论数据进行比较,验证了理论推导的准确性和外骨骼机器人设计的合理性,为后续电机选型提供了依据。     

下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计

下肢外骨骼康复机器人进行康复训练的控制软件多在计算机端运行,成本高,灵活性差。针对此问题,提出基于Android客户端的控制系统,在Android Studio开发环境中利用Java语言编写界面并实现相关功能。采用JSch实现远程登录并操控下位机工控机,通过Socket通信机制实现与康复机器人的无线通信,并使用LCD显示模组（Liquid Crystal Display Module,LCM）实现对关节角度等数据的实时传输,实现康复训练过程中模式选择、参数设置、双向数据传输以及康复训练曲线实时显示的功能。     

下肢外骨骼康复机器人动力学仿真与分析

下肢外骨骼康复机器人可以有效提高下肢运动功能受损患者的康复效率,减轻康复医师的工作量。设计了一款气动肌肉驱动的下肢外骨骼康复机器人。为探究外骨骼机器人运动状态和各关节运动机理之间的关系,采用拉格朗日方程对下肢外骨骼进行动力学建模,将建立好的虚拟样机模型导入Adams中进行动力学仿真,得到下肢外骨骼康复机器人在不同运动状态下各关节在运动过程中转矩的变化情况,对仿真数据进行分析,验证了数据的正确性,为下一步实物样机制作及驱动器的选择提供了理论依据。     

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。     

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。     

外骨骼机器人发展趋势研究

外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人,它将人的智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起,可以给人提供额外的动力或能力,增强人体机能。近年来外骨骼机器人的研究开发已经成为一个新的热点,并在军事、科研、工业生产和日常生活中逐步得到了广泛的应用。随着科技的发展,外骨骼机器人技术也在不断发展与创新,具有广阔的应用和发展前景,其发展趋势也将紧随科技创新的步伐。     

外骨骼机器人结构设计与动力学仿真

对外骨骼机器人进行了结构设计,重点介绍了外骨骼机器人的驱动器设计和工作原理。通过ADAMS动力学仿真,得到了外骨骼机器人髋关节、膝关节的动力学参数,分析了仿真结果的正确性,为外骨骼机器人的结构设计提供了可靠的依据。     

行走助力型下肢外骨骼机器人的设计与控制

针对行走助力需求,通过对人体下肢结构与运动特征进行分析,采用模块化的方法设计了一款下肢助力外骨骼机器人。考虑不同场景穿戴者的运动特点,基于该系统设计了主动助力与随动跟踪 2 种控制模式。行走实验表明,该下肢外骨骼机器人既可以实现负重助行的功能,也能对目标关节轨迹进行快速的跟踪而不阻碍穿戴者的正常运动。     

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。     

辅助行走外骨骼机器人的测控系统设计

针对目前存在的残疾人及老年人行走不便的问题,对三维模型设计制作、脚底压力检测、多传感器数据融合等方面进行了研究。对传感系统搭建、检测判断人体行走状态以及进行意图识别的算法进行了归纳,提出了一种基于STM32 ARM Cortex-M3内核单片机等技术的辅助行走外骨骼机器人系统,进行了行走意图识别效率以及辅助行走效果测试。研究结果表明:该系统能实时检测使用者的身体运动参数并进行存储,实现智能检测、意图识别、辅助行走等多项功能,通过预设步态轨迹算法实现辅助行走;系统穿戴舒适、响应迅速、可靠性高。     

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。     

下肢外骨骼机器人运动学分析与轨迹控制实现

为满足神经受损患者下肢康复训练需要,设计了外骨骼下肢康复机器人,建立了其运动学解析关系;对患者的康复策略进行了分析选择．并对康复策略的轨迹控制方法进行了研究,详细讨论了基于固高GUC-8轴嵌入式运动控制器的主被动控制实现方法。