适应个体差异的下肢康复机器人步态规划

下肢康复机器人不仅要辅助患者恢复患肢关节运动机能,还须使患肢恢复正常人的协调步态。机器人的步态规划在满足训练者的身材特征和当前可承受活动能力下,还应符合正常人的步态特征,具有对每个患者的宜人性。针对这一目标,根据对一组正常人步态实验的数据,提出采用高斯过程回归模型进行预测的步态规划方法。建立以训练者的身体和步态参数为输入向量,步态曲线的傅里叶系数为输出量的映射关系,从而获得适合不同患者的宜人性步态离线规划方法。经过实验验证,由预测模型所生成的步态曲线与实验者实际步态曲线具有较高的一致性。     

蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制研究

使用基于迭代链拟合与关键帧提取的蛇形机器人缆索攀爬步态生成方法,对一种正交关节蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制进行了研究。该方法可建立蛇体骨干曲线定向位移与底层驱动器输入之间的联系,可将传统的骨干曲线法和控制函数法两种步态生成方法的优点有效地结合。使用该方法生成步态既可直观地得到骨干曲线的形状及运动趋势,又可得到以关节号和时间为变量的控制函数。该方法可有效提高蛇形机器人桥梁缆索攀爬的安全性、步态灵活性,同时,也便于控制底层驱动器。最后,通过实验验证了所提出方法的有效性。     

AnyBody环境下人体步态的逆向动力学研究

为了分析人体步态运动中包含肌骨系统的下肢动力学特性,基于生物力学分析软件AnyBody建立一种包含肌骨系统的下肢运动模型。利用逆向动力学,在下肢运动关节等处设置运动控制点,以运动控制点三维坐标和地面支反力为驱动,完成了人体的正常步态仿真,得到了人体正常步态下的踝关节和膝关节的角度、力矩的变化曲线,分析了关节力矩与角度变化之间的关系;给出了比目鱼肌、缝匠肌、胫骨后肌和胫骨前肌在步态周期内的肌肉力和活性变化曲线,讨论了肌肉力和肌肉活性之间的关系。     

双臂手移动机器人地面行走的研究

分析了双臂手移动机器人的系统配置及地面行走的步态规划方法;推导了实际机器人和虚拟样机中的ZMP测量方法;为实现稳定行走,提出了一种基于ZMP误差的针对关节角的步态补偿方法;最后,利用Adams与Matlab/Simulink进行了机器人虚拟样机联合仿真实验,得到各关节驱动力矩曲线、补偿关节角曲线,验证了步态补偿方法的正确性和双臂手机器人的地面移动能力。     

下肢康复机器人的结构设计与动力学分析

针对下肢运动损伤患者的康复需求,提出一种新型下肢外骨骼康复训练器,根据康复评定学中RLA分期法对人体正常步态的描述和人机工程学理论中的人体下肢尺寸及关节特点,对被动康复训练器的机构进行设计;使用SolidWorks建立三维样机模型,制造实物样机;并且建立运动学及动力学模型;通过Matlab仿真分析特出关节运动变化曲线,验证数学模型的正确性;并且通过ADAMS软件进行动力学仿真,验证模型的正常行走步态,并且得出关节角速度,关节角动量,关节力矩等变化曲线。然后分别选取RLA八分法中8个关键时期点的数据,将理论计算和模拟仿真的结果进行比较,分析误差原因。验证了运动模型的正确性,为驱动控制提供参考依据。     

多仿生步态蛇形机器人分析和实现

为使传统的蛇形机器人具有在不同环境下运动的能力,研究开发了一种具有蜿蜒步态和直线步态的多步态蛇形机器人。对机器人的运动原理、机械结构和控制系统做了介绍,并进行了仿真分析和实验验证。蜿蜒步态采用经典的Serpentine曲线,直线步态采用单驻波以及多驻波蠕动步态。机器人由7个单元模块顺序连接,每个单元模块上各设计了一个摇摆关节和直动关节,单元模块配置独立的锂电池供电、无线通信、电机驱动电路。整个单元模块在机械和电气上完全模块化。仿真中对影响机器人构型和前进速度等参数进行了分析和确定。实验表明,机器人运行可靠、软件控制直观方便,具有在平地上进行蜿蜒运动和直线运动的能力以及在狭窄的管道中进行直线运动的能力。     

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。     

基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与步态仿真

以人类的构造为原型,基于仿生学的角度,设计了一种下肢单腿7自由度的仿人机器人.通过三维光学动作捕捉系统采集人体正常行走时的运动位置坐标,分析数据,获取人体步态行走时的关节角度及下肢各关节力矩变化规律;建立了下肢7自由度运动学模型并进行逆运动学分析,求解出下肢各关节角度的变化情况,并根据步态规划求解出仿人机器人步行运动过程中下肢各关节转动角度;在UG环境中建立下肢7自由度的仿人机器人三维模型,并利用多体动力学软件Adams进行动力学仿真,结合步态运动规划求解出的角度变化情况对仿真参数进行设置,通过虚拟样机完成仿人机器人的步态行走,并将仿真数据和动作捕捉实验获取的数据结果进行对比.研究结果显示,仿人机器人能够实现稳定的步态行走,确认了整体建模思路、运动学分析以及动力学仿真的准确性.以实验结果为基准,仿真所获得的髋关节和膝关节力矩值相对于实验值的相对误差分别为6.7％和9.6％,均在合理的范围内,为仿人机器人结构设计和电机选型提供了依据.     

仿壁虎机器人地壁过渡步态规划与运动仿真

针对传统仿壁虎机器人空间运动能力不足、空间运动步态方法的可行性问题,基于仿生学原理,设计了一种具有腰关节的每条腿具有三个自由度的四足仿壁虎机器人,对仿壁虎机器人的结构进行了正运动学和逆运动学的分析,建立了各关节角度和机身空间坐标系下各参量之间的关系,在地面与墙壁交角为90°的工况下,根据其关于纵向平面对称的结构特点提出了一种对称式地壁过渡步态方法。在Matlab软件上对该步态方法的可控性进行了评价,利用各关节角度与各参量之间的函数关系编程得到了地壁过渡过程中各关节角度、角速度曲线,并在Inventor环境下进行了运动学仿真实验。研究结果表明,各关节角度、角速度均在允许范围内,且角度函数一次连续,验证了结构的合理性和步态的可行性。     

基于关键点约束的下肢外骨骼机器人步态规划

为提高下肢外骨骼机器人行走的稳定性和合理性,增加了足趾关节部位的自由度,并且考虑了辅助支撑工具拐杖在行走过程中的作用。步态规划过程中将步幅作为一个变量,确定几个关键点,利用MATLAB软件中的插值函数拟合出步态轨迹曲线,建立运动学模型并根据COG判据求解出重心的投影位置,计算出在一个步态周期过程中的最小稳定裕度。综合考虑步行速度和稳定裕度等因素选定最优的步幅。最后利用仿真软件ADAMS建立虚拟模型,将规划的步态轨迹函数作为驱动量输入模型进行仿真,测量出各个关节的旋转运动曲线,测量结果证明各关节曲线光滑柔顺,验证了步态规划函数的合理性,为后续控制系统设计奠定了基础。