基于卡尔曼算法的外骨骼运动预判与控制

在人机交互时,由于人体下肢外骨骼获取的传感器信号滞后于人体运动实际形式,从而导致外骨骼机器人无法实时跟随髋关节、膝关节的运动,出现不能提供助力的问题。设计了一种下肢外骨骼模型,在此基础上,通过力/力矩传感器来获取信号,利用基于卡尔曼滤波算法对获取到的信息进行运动预判,然后将预判信号输入到下肢外骨骼机器人模型简化后的二连杆运动学模型上,通过采用PD控制检验系统稳定性以及预判精确性。最后进行MATLAB仿真实验,结果表明:信号经过卡尔曼滤波后能够有效预判人体运动形式,外骨骼下肢摆动腿在人体运动时能够进行有效地跟随,从而弥补延时。     

基于心肺复苏用途的上肢外骨骼助力机器人仿真研究（英文）

针对心肺复苏助力用途,设计了一种新型的上肢外骨骼助力机器人。以D-H矩阵为基础建立了上肢外骨骼助力机器人的运动学方程,得到机器人末端点的位姿矩阵并验证,利用代数解法求得逆运动学。通过Matlab编程求解出上肢外骨骼助力机器人的可达工作空间。运用ADAMS对机器人进行了运动学和动力学仿真,证明了结构的合理性以及运动学的正确性,同时动力学仿真得到的各关节最大力矩为电机选型和后续的运动控制提供依据。     

基于心肺复苏用途的上肢外骨骼助力机器人仿真研究

针对心肺复苏助力用途,设计了一种新型的上肢外骨骼助力机器人.以D-H矩阵为基础建立了上肢外骨骼助力机器人的运动学方程,得到机器人末端点的位姿矩阵并验证,利用代数解法求得逆运动学.通过Matlab编程求解出上肢外骨骼助力机器人的可达工作空间.运用ADAMS对机器人进行了运动学和动力学仿真,证明了结构的合理性以及运动学的正确性,同时动力学仿真得到的各关节最大力矩为电机选型和后续的运动控制提供依据.     

基于气动肌肉驱动的下肢康复机器人设计与仿真

为实现气动肌肉在多自由度康复机器人中的应用,设计一种用于步态康复训练二自由度下肢康复辅助训练机器人,驱动器由气动肌肉和拉伸弹簧并联驱动关节以实现节能辅助行走。建立人体下肢运动学和动力学模型,并以标准CGA步态曲线作为关节输入,通过SolidWorks/Motion进行运动学仿真,验证所设计的模型符合人体下肢运动规律。针对气动肌肉伸展时存在非线性使得关节控制困难,提出了模糊自适应PID控制算法。在MATLAB/Simulink中进行仿真控制实验,仿真结果表明：相比传统PID算法,模糊PID自适应控制算法使外骨骼达到更好的跟随效果。最后通过实验平台验证了模糊PID自适应控制算法能够满足患者主动康复训练的需求。     

农用下肢外骨骼机构设计及仿真分析

我国大多数地区的农业生产仍有生产者手工完成,人工劳作不仅效率低而且负担重、工作量大。基于此,提出并设计了一种农用的下肢外骨骼机构。该机构旨在帮助人们更好、更快地完成农业生产。完成了8自由度(单腿)下肢外骨骼机械的结构设计;利用UG软件建立了该机构的三维模型;基于ADMAS软件对其进行了运动仿真分析;并根据仿真的结果来验证所设计外骨骼机构的合理性。     

下肢外骨骼机器人设计及实验研究

为实现下肢残障者的运动康复,设计液压驱动的下肢外骨骼机器人机构。针对下肢外骨骼的运动跟随需求,提出一种滑模控制器,并进行了控制仿真模拟。仿真结果表明：外骨骼采用该控制算法能较好地实现位置跟踪。基于dSPACE硬件在环实时仿真系统搭建了下肢外骨骼系统,进行了空摆实验、被动跟随实验及主动跟随实验。实验结果表明：设计的下肢助力外骨骼机器人能够为穿戴者提供助力,外骨骼样机的整体稳定性较好,对穿戴者具有良好的跟踪性能与快速响应性。     

下肢外骨骼康复机器人刚柔耦合分析与仿真

下肢外骨骼康复机器人的组成连杆在辅助人类运动的时候会因为自身柔性发生弹性变形,会影响到整个行走轨迹的位置精度和控制的实时性与准确性。针对所设计的下肢外骨骼康复机器人,首先通过步态仿真验证模型的正确性,然后建立其刚柔耦合动力学模型。在刚柔耦合动力学模型的基础上,通过ADAMS和ANSYS完成摆动期阶段内的刚柔耦合动力学联合仿真,得到其动态变形误差数据。结果表明：在Y方向、Z方向位移误差和整体位移误差分别在-38～3.6 mm、-7.5～3 mm、-6～14.5 mm内波动,与其他两方面相比,Y方向上的位移误差最大,在误差允许的范围内。验证了下肢外骨骼康复机器人刚柔耦合模型的正确性与合理性,为后续的结构优化和控制系统的设计提供了参考依据。     

基于耦合的Vitual Lab Motion & AMESim的下肢外骨骼机电液系统建模及仿真分析

利用Virtual Lab Motion对下肢外骨骼进行了结构建模。依据现有的临床步态分析数据——关节角度随时间的变化关系,通过运动学分析逆向得出所设计系统各个液压缸的理想控制曲线,即液压缸位移随时间的变化关系。依据仿真得到的力臂及液压缸速度可对电液系统的压力和流量进行估算,利用Virtual Lab Motion与AMESim的耦合仿真验证了系统的合理性。     

六自由度肩关节康复机器人设计与仿真

针对肩关节运动损伤康复训练问题,通过分析肩关节的运动方式,设计一种外骨骼肩关节康复机器人。对机器人的整体样机机械结构进行简单建模设计,并解决了肩关节旋转中心瞬时可变性的问题;通过D-H法推导出机器人运动学方程,并通过MATLAB验证了运动学方程的正确性。利用ADAMS软件中建立的虚拟样机模型,对机器人进行运动学和动力学的仿真,得到各关节角速度与时间的关系和各关节的驱动力矩曲线。最后通过蒙特卡洛法,计算出机器人末端运动的位置云图,得到机器人末端的运动范围。仿真分析验证了机器人结构的可行性和运动学方程的正确性,可以实现康复目的。     

下肢外骨骼电液伺服控制系统的设计与仿真

根据已设计出的下肢外骨骼模型以及由公式推出的外骨骼运动特性,设计液压缸的负载轨迹情况;对液压控制系统进行静态特性和动态特性分析,确定出液压系统的参数;通过用Simulink仿真对P控制、PI控制、PID控制3种方法进行比较,最终确定利用PID控制方法驱动下肢外骨骼运动。     

人体下肢多关节连续运动的肌电预测方法

为了准确捕捉人体下肢关节在不同运动模式下的运动状态，提出一种利用肌电信号进行下肢多关节连续运动预测的方法。采集人体在蹲起运动、膝屈伸运动和上下阶梯运动时的肌电和运动数据进行处理分析，利用肌肉骨骼几何建模软件Opensim建立人体骨骼肌肉仿真模型，并进行逆运动学分析，提取人体下肢关节运动曲线。建立人体下肢在矢状面内的运动与肌电的映射关系，利用麻雀搜索算法优化Elman神经网络，实现对踝、膝和髋关节角度连续变化的预测，与传统的反向传播神经网络、支持向量机回归和Elman神经网络预测结果进行对比。结果表明：利用麻雀搜索算法优化的Elman神经网络在预测下肢关节角度变化中具有更高的精度，且该预测模型在不同运动模式下关节运动预测值与测量值均表现出一定的相关性，相关系数均大于0.89,证明利用肌电信号进行下肢多关节连续运动预测是可行的。     

下肢外骨骼机器人结构设计与运动稳定性研究

为帮助下肢瘫痪人群恢复行走功能,设计出一款下肢外骨骼机器人。依据人体运动机制对各个关节的自由度进行了设计,确定了主动关节和被动关节类型并选用合适的驱动方式,详细介绍了主要部位的结构设计。论述了机器人的工作机制以及工作方式。建立下肢外骨骼机器人的连杆模型,规划出关节运动轨迹并求解出各个关节旋转运动曲线。利用ADAMS仿真软件将所规划的步态曲线进行仿真分析,仿真结果表明:各个关节运动曲线柔顺平滑,无明显冲击。在一个周期内,与理论计算值相比,各个关节的角度仿真值误差均小于±1.5°,在合理误差范围之内。利用COG理论验证步态轨迹的动态稳定性,证明了所规划的步态曲线的合理性。     

一种六自由度上肢康复训练机器人运动学及工作空间仿真分析

针对现有上肢康复训练机器人存在功能集成度低和结构庞杂的缺陷,设计了一种6DOF可穿戴式上肢康复训练机器人。采用SolidWorks构建机器人的三维模型,通过ADAMS/View提供的模型交换接口导入ADAMS中进行运动学仿真。基于D-H表示法建立机器人的正向运动学模型,利用MATLAB软件对机器人进行运动学仿真及工作空间仿真分析。得到机器人末端轨迹仿真曲线与理论曲线一致,检验了机器人运动学方程推理的准确性,工作空间仿真结果说明了该方案的合理性。     

外骨骼关节驱动神经网络滑模力控制研究

针对外骨骼机器人液压关节驱动系统具有非线性、不确定参数等特性,导致模型建立困难以及负重时具有不确定冲击扰动的问题,基于电液伺服系统特性,建立以弹性负载为外负载的数学模型。为减小负重时冲击扰动项对力控制的影响,引入径向基（RBF）神经网络对干扰项进行补偿,设计一种基于RBF神经网络的滑模力控制策略。通过系统特性进一步验证模型可行性,并进行仿真试验对比。结果表明：与PID控制相比,所设计的控制策略响应时间更短,跟踪误差缩小70.5%;变负载工况下,所设计的控制策略具有更好的跟随能力、更强的鲁棒性能,可以满足外骨骼机器人关节驱动的力控制要求。平台试验进一步验证了仿真结果的有效性与正确性。     

脑控下肢外骨骼技术发展及展望

由中风、脊髓损伤或其他相关疾病引起的行动困难的人数正在迅速增加。为了改善这些人的生活质量,帮助他们重新获得行走能力,需要大量的辅助行走设备。近来研究的脑控下肢外骨骼可以释放治疗师负担,并提供有效且重复的步态训练。在过去的10年中,外骨骼等机器人辅助器械取得了巨大的进步,一些产品已经商业化。脑控下肢外骨骼是可穿戴的机器人系统,集成了人类智能和机器人的力量。本文作者介绍了脑控下肢外骨骼的基本概念,并总结了几种脑控下肢外骨骼在步态康复方面的主要应用,并对获得穿戴者的动作意图和脑电信号处理技术做出评价,讨论了目前开发的下肢外骨骼的广泛应用、局限性、未来研究和发展方向。