基于单自由度Watt机构的拟人步态下肢康复机器人设计

针对目前大多数下肢康复机器人结构复杂、造价高昂、控制不便等问题,文章优化设计出一款Watt-I型六杆机构式单自由度拟人步态下肢康复机构。对下肢康复机构进行尺度优化设计,以正常步态轨迹为目标轨迹对Watt-I型六杆机构进行轨迹综合,得到机构尺寸;对下肢康复机构进行轻量化设计,在SolidWorks中建立其三维模型,并导入到ANSYS Workbench中进行拓扑优化,得到优化后的简化模型;采用响应面方法对连杆板厚及边长等参数进行优化设计;基于优化后的机构对下肢康复机器人进行结构设计,给出三维模型。结果表明:该机构能很好地复现正常步态轨迹,目标轨迹点与对应机构轨迹点之间的平均位置误差仅为7.76 mm;在满足材料强度的条件下,轻量化后的六杆机构质量减少32.66%。该下肢康复机器人仅需一个匀速驱动即可为下肢运动障碍患者进行步行康复训练,具有普惠性。

基于GA-BFGS的六杆下肢康复机构设计

提出一种基于遗传-拟牛顿(GA-BFGS)混合算法的Watt-Ⅰ型六杆机构优化算法,并针对多自由度下肢康复机器人结构复杂、控制困难、造价昂贵等问题,设计了两种单自由度Watt-Ⅰ型六杆下肢康复机构.首先,由目标步态轨迹和Watt-Ⅰ型六杆机构运动学模型构造两种目标函数;然后,结合遗传算法全局搜索性和拟牛顿算法局部细致寻优的特点,使用GA-BFGS混合算法对目标函数进行迭代寻优,得到优化后的机构尺寸;最后,分别将两种下肢康复机构应用于下肢康复机器人,并对其进行了结构设计.结果表明:两种下肢康复机构都能较好地复现目标步态轨迹,一种侧重于复现其时序,另一种侧重于复现其形状,这验证了该算法对于Watt-Ⅰ型六杆机构轨迹综合问题的有效性.