液压驱动下肢外骨骼系统设计与控制研究

研究基于液压驱动的下肢外骨骼机器人,旨在实现人体下肢的运动康复。设计结构紧凑型液压驱动下肢外骨骼整体机构。建立了下肢外骨骼多连杆机构模型,基于拉格朗日法对模型进行动力学分析。针对下肢外骨骼的快速随动控制提出了一种滑模控制器,并运用MATLAB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具备良好的跟踪效果。搭建了外骨骼系统软硬件平台,通过预设步态跟踪控制实验,验证了机构的合理性与控制算法的有效性。     

下肢外骨骼虚拟样机设计研究

步态分析是外骨骼机器人设计中不可或缺的技术环节。以人体步态运动规律作为下肢外骨骼运动姿态控制的基础,有利于实现良好的人机匹配。采用Vicon运动分析系统进行了运动学实验与分析。在人机交互的基础上,拓展人的运动功能,因此在下肢功能障碍患者康复训练、老年人及正常人助力行走、单兵装备中获得广泛关注与应用。以人机功能匹配为设计出发点,采用Vicon运动分析系统进行了步态行走实验,以步态参数作为下肢外骨骼运动控制依据。通过ADMAS运动仿真与拉格朗日方程计算结合的方式,得出动力学参数。进而完成了一款兼顾行走助力功能与低成本的下肢外骨骼虚拟样机设计。     

下肢康复外骨骼的步态交互设计研究进展

中国正向深度老龄化社会高速迈进,脑卒中等老年性疾病人群逐年增多,开展面向助老适老的智能产品研究具有广阔的应用前景与重要的学术价值。下肢康复外骨骼是一种与穿戴者肢体交互并为其提供相应运动辅助和训练的人机交互共融智能产品。利用下肢康复外骨骼进行科学有效的康复运动训练,患者的肌力得以增强,脑神经和患肢之间的传递通路得以重建。根据穿戴者的下肢运动功能缺失或减弱程度生成并调整步态以进行安全有效的康复训练,是目前下肢康复外骨骼的研究前沿与热点。针对下肢运动功能障碍导致的行走方式差异化和康复步态规划个性化问题,结合国内外下肢康复外骨骼步态交互设计的研究进展,围绕下肢康复外骨骼步态性能评价标准、步态生成方法、步态控制策略和典型康复应用进行了重点分析探讨。最后总结并对下肢康复外骨骼的步态交互设计未来发展方向进行了展望,为相关研究人员提供参考。     

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。     

多用途下肢康复外骨骼结构设计与实验

为有效解决由于脊柱损伤、脑损伤、脑血管疾病及骨关节手术所导致的人体下肢运动功能障碍,提出了一种多用途可拆卸下肢康复外骨骼设计方案,设计了基于扭矩传感器的力感知高集成助力关节,在腿部泛型尺寸结构设计的基础上,提出了一种基于螺纹传动的双向同步快调机构,实现了单手徒手快速调节外骨骼腿部长度的功能.基于外骨骼运动平衡安全性及广泛适用性等问题的考虑,将下肢康复外骨骼与可升降移动护架有机结合,提出了下肢康复外骨骼整体结构及可升降移动护架结构,既保证了外骨骼运动过程中的平衡安全性,又同时适用于轻度、中度、重度等不同程度的下肢运动功能障碍患者.为合理规划下肢康复外骨骼运动步态,进行了平地、上坡、下坡、上楼梯、下楼梯等步态数据的采集及处理,搭建了控制系统.为了验证理论研究成果,加工了实验样机,并进行了相关实验验证.实验结果表明:扭矩传感器具有较高的实时性及准确性,外骨骼具有广泛适应性,结合移动护架可为患者提供有效的减重环境,外骨骼可实现起立、坐下、平地行走、上下斜坡及上下楼梯等功能.     

下肢外骨骼助力机器人本体结构设计与运动学分析

下肢外骨骼助力机器人是一种可以拓展人体关节机能,并可在特殊环境下作业的人机共融型机器人。基于人体下肢生物力学特点,阐述了下肢外骨骼助力机器人的机构设计原理及过程,分析了外骨骼机构的运动学关系,通过ADAMS匹配外骨骼与关节驱动范围并进行了机构优化,可以完成人体的代表性深蹲动作,为外骨骼助力行走留有较大的关节运动裕量,虚拟样机联合仿真也验证了外骨骼助力机器人的设计可行性。     

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。     

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。     

基于虚拟样机技术的外骨骼助力搬运机器人结构设计与仿真研究

针对现有外骨骼助力搬运机器人结构复杂、价格昂贵的问题,对外骨骼助力搬运机器人虚拟样机技术的结构设计、运动学与控制仿真展开了研究。设计了一款结构相对简单,在人体弯腰搬运重物时对人体腰部提供助力,且肘关节设计为自锁机构的可穿戴全身外骨骼助力搬运机器人;通过对外骨骼下肢运动学模型建立了D-H坐标,进行了正逆运动学分析;利用虚拟样机技术,采用人体步态行走时所采集的实验数据,对外骨骼助力搬运机器人进行了步态运动的仿真分析与联合控制仿真。研究结果表明:所设计的外骨骼助力搬运机器人的步态仿真运动与人体的实际数据相符,验证了所设计结构的稳定性与可靠性。     

面向下肢康复的柔性外骨骼机器人进展研究

作为近年来新兴的机器人技术,柔性外骨骼结合了柔性驱动和可穿戴机构,有效解决了传统刚性外骨骼机器人重量大、顺应性差、效率低、穿戴舒适性差的问题,因此尤其适用于运动障碍患者的辅助行走及运动康复,已成为主动康复领域发展的重要方向之一。本综述聚焦下肢柔性外骨骼助行机器人近十年的创新与应用进展,收集整理了60篇目标文献,其中,线驱动50篇,气动驱动7篇,其他驱动3篇,从柔性驱动结构设计、控制方法、康复应用3个方面对相关研究进行剖析讨论。目前,柔性外骨骼主要以线驱动和位置控制研究为主,发展方向为设备轻量化,驱动柔顺化,并结合电生理信号研究和人机交互理论以期降低人体代谢。相关临床试验表明柔性外骨骼有利于患者步态的对称性增强,步速增加,更接近于正常步态。未来,柔性外骨骼机器人有望为步态障碍患者带来更好的主动康复效果和穿戴体验。     

Structure Design of Lower Limb Exoskeletons for Gait Training

Due to the close physical interaction between human and machine in process of gait training, lower limb exoskeletons should be safe, comfortable and able to smoothly transfer desired driving force/moments to the patients. Correlatively, in kinematics the exoskeletons are required to be compatible with human lower limbs and thereby to avoid the uncontrollable interactional loads at the human-machine interfaces. Such requirement makes the structure design of exoskeletons very difficult because the human-machine closed chains are complicated. In addition, both the axis misalignments and the kinematic character difference between the exoskeleton and human joints should be taken into account. By analyzing the DOF(degree of freedom) of the whole human-machine closed chain, the human-machine kinematic incompatibility of lower limb exoskeletons is studied. An effective method for the structure design of lower limb exoskeletons, which are kinematically compatible with human lower limb, is proposed. Applying this method, the structure synthesis of the lower limb exoskeletons containing only one-DOF revolute and prismatic joints is investigated; the feasible basic structures of exoskeletons are developed and classified into three different categories. With the consideration of quasi-anthropopathic feature, structural simplicity and wearable comfort of lower limb exoskeletons, a joint replacement and structure comparison based approach to select the ideal structures of lower limb exoskeletons is proposed, by which three optimal exoskeleton structures are obtained. This paper indicates that the human-machine closed chain formed by the exoskeleton and human lower limb should be an even-constrained kinematic system in order to avoid the uncontrollable human-machine interactional loads. The presented method for the structure design of lower limb exoskeletons is universal and simple, and hence can be applied to other kinds of wearable exoskeletons.     

下肢外骨骼伺服电机驱动控制方案设计

介绍了可穿戴式下肢外骨骼运动总体控制方案。针对人体髋关节和膝关节运动机理,采用了盘式伺服电机驱动二自由度下肢外骨骼模拟人体下肢摆腿运动控制技术来提高关节运动的响应性能,同时利用4个三维力传感器分别测量人大腿和小腿与外骨骼相互作用力,可用于外骨骼“人主机辅”控制模式算法设计中。在外骨骼2个关节处利用编码器获得关节角度、角速度信息既可用于外骨骼拉格朗日模型参数辨识,也可以作为反馈控制信号用于外骨骼“机主人辅”控制模式中。下位机采用LabVIEW驱动NI主控器实现信号传输与控制,上位机采用MATLAB/Simulink环境设计反馈控制算法与下位机进行实时通信,保证可穿戴式下肢外骨骼能够完成两种运动控制模式的目标,同时提高试穿员的可穿戴舒适性。     

电动往复式步态矫形器机构优化设计

针对原有往复式步态矫形器对患者体力消耗较大、步态差异大且失真严重、膝关节康复效果微弱等问题,对矫形器进行改进设计,分别在矫形器的髋关节和膝关节处增加了驱动机构,设计出一种电动往复式步态矫形器(Electric reciprocating gait orthosis, ERGO),可通过穿戴在患者下肢上,协助无行走能力的患者实现行走功能。由于人体下肢运动关节的复杂性,电动往复式步态矫形器与人体下肢运动关节不可避免存在一定的差异,因此需要通过机构的优化使得人-机之间髋、膝关节的运动规律及下肢末端轨迹更加接近,从而避免患者在使用过程中由于人-机运动偏差而造成不必要的伤害。在此基础上通过仿真分析和试验验证,证明了电动式往复式步态矫形器的可行性和优化结果的有效性。     

下肢康复训练机器人步态运动机构设计

借助于Pro／E软件建立了下肢康复训练机器人步态运动机构的参数化运动学模型，基于对不同参数简化模型的分析，设计了一种步态运动机构，对设计结果进行了运动学仿真，仿真结果表明该机构能够较好地模拟人的实际步态运动，符合下肢康复系统的整体要求。同时得出了实现理想步态运动所需的驱动电机等效速度参数，为进一步的机构控制系统设计提供了必要依据。     

基于Matlab的凸轮型线设计与研究

凸轮型线是凸轮驱动从动件的运动曲线，它影响到凸轮机构的效率、精度以及寿命。本文基于Matlab开发工具，设计出一类高次多项式凸轮型线。研究表明该凸轮在高速工作时，减小了启动时的冲击力，降低了运动过程中的最大加速度，并满足运动过程中的运动学与动力学要求，为凸轮型线的设计提供了一种依据。     

A one-degree-of-freedom spherical mechanism for human knee joint modelling

In-depth comprehension of human knee kinematics is necessary in prosthesis and orthosis design and in surgical planning but requires complex mathematical models. Models based on one-degree-of-freedom equivalent mechanisms have replicated well the passive relative motion between the femur and tibia, i.e. the knee joint motion in virtually unloaded conditions. In these mechanisms, fibres within the anterior and posterior cruciate and medial collateral ligaments were taken as isometric and anatomical articulating surfaces as rigid. A new one-degree-of-freedom mechanism is analysed in the present study, which includes isometric fibres within the two cruciates and a spherical pair at the pivot point of the nearly spherical motion as measured for this joint. Bounded optimization was applied to the mechanism to refine parameter first estimates from experimental measurements on four lower-limb specimens and to best-fit the experimental motion of these knees. Relevant results from computer simulations were compared with those from one previous equivalent mechanism, which proved to be very accurate in a former investigation. The spherical mechanism represented knee motion with good accuracy, despite its simple structure. With respect to the previous more complex mechanism, the less satisfactory results in terms of replication of natural motion were counterbalanced by a reduction of computational costs, by an improvement in numerical stability of the mathematical model, and by a reduction of the overall mechanical complexity of the mechanism. These advantages can make the new mechanism preferable to the previous ones in certain applications, such as the design of prostheses, orthoses, and exoskeletons, and musculoskeletal modelling of the lower limb.     

步态训练机器人骨盆运动控制机构研究

提出一种欠驱动4自由度骨盆运动控制机构结构形式,定性分析了机构运动原理和补偿弹簧的作用,并建立了力学平衡方程.利用SimMechanics建立了机构模型,针对正常人步态过程中骨盆的运动状态进行了机构控制仿真,仿真结果表明了该机构实现期望运动控制的可行性.研制了实验样机,针对空载和主动真人不同负载情况进行了实验研究,分析了约束弹簧在不同负载时对控制机构运动的影响情况,结果验证了该样机实现步态中骨盆运动控制的可行性,为进一步完善步态训练机器人提供依据.     

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。     

气动三自由度并联平移型机器人的同步控制

气动三自由度并联平移机器人由固定平台、动平台、3个辅助臂和3个驱动臂组成,3个辅助臂约束机器人动平台的转动,3个气缸驱动机器人动平台沿x, y, z方向的运动。根据并联平移机器人的机械结构及运动特征,得到动平台的运动学正解和逆解。在并联平移机器人的运动控制中,不仅要减少单个驱动臂的跟踪误差,还需考虑驱动臂间的运动协调性。由于气体的可压缩性、负载的时变性和摩擦力等因素,精确的驱动臂模型难以建立,因此针对单个驱动臂设计了线性自抗扰控制器;此外,根据机器人结构特点设计基于驱动臂跟踪误差分解组合的协调控制器,解决了运动协调的问题,进一步减小了空间轨迹的跟踪误差。实验证明了该控制策略的有效性。