穿戴式下肢外骨骼助行机器人系统研究

目的提出一种新型轻量化穿戴式下肢外骨骼助行机器人系统,探究其辅助步态紊乱者和T4脊髓节段以下损伤的截瘫患者(排除双下肢肌痉挛和明显疼痛者)实现行走及姿态变换康复训练的可行性。方法设计髋关节双电机主动驱动,膝关节被动四连杆模拟人体运动瞬心变化的主被动混合式可穿戴下肢外骨骼助行机器人结构,基于模块化设计思想,提出以STM32F767IGT6及外围电路为主控制器,包含姿态采集、电源和拐杖模块的控制系统。以正常人穿戴该外骨骼机器人进行平地、斜坡及姿态变换实验,分析运动过程中髋、膝、踝关节角度,并对比正常人穿戴和未穿戴该机器人股外侧肌和股内侧肌的肌电信号。结果穿戴者可实现仅基于该外骨骼机器人系统辅助的坐下-站立姿态变换以及平地/斜坡行走,且髋、膝、踝关节角度与正常人行走变化趋势基本一致,穿戴该机器人相比未穿戴行走时,股外侧肌和股内侧肌肌电信号均降低。结论该主被动混合式可穿戴下肢外骨骼助行机器人在仅髋关节两个电机驱动下,依然可实现行走及姿态变换的康复训练,验证了髋关节双电机主动驱动、膝关节被动四连杆结构的下肢外骨骼助行机器人系统帮助截瘫患者和步态紊乱者行走康复的可行性。

下肢外骨骼助行机器人神经网络自适应滑模控制研究

穿戴式下肢外骨骼助行机器人是一种能够辅助人体进行仿人式步态运动的智能一体化设备,该系统需要良好的轨迹跟踪效果。为提高穿戴式下肢外骨骼助行机器人的轨迹跟踪精度及稳定性,基于拉格朗日法建立动力学模型,研究分析RBF神经网络自适应滑模控制算法。通过MATLAB-Simulink仿真,对比分析滑模算法和RBF神经网络自适应滑模控制算法,获得了两种算法下髋关节、膝关节的角位移及角速度控制曲线及力矩,并对比了两种算法的位置跟踪误差。实验结果表明,相比于滑模控制算法,RBF神经网络自适应滑模控制可以改善抖振情况,提高控制精度和抗干扰能力。

下肢外骨骼助行机器人研究现状及发展趋势

随着科学技术的进步和人们对于增强自身能力的渴望,下肢外骨骼助行机器人已成为国内外"人机一体化"的一个重要研究方向。根据研究工作积累和文献资料调研,总结了国内外主要研究机构对于下肢外骨骼助行机器人的研究现状,分析了下肢外骨骼助行机器人研制需要解决的关键技术,对下肢外骨骼助行机器人的发展趋势进行了预测。研究工作表明:下肢外骨骼助行机器人在穿戴性、智能化以及便携性等方面都有了突破性的发展,但是应当加强对微型能源、轻质便携材料、多功能系统等的研究和开发,才能广泛应用于军事、科考、旅游、交通、救灾等领域。

下肢外骨骼助行机器人驱动系统分析

下肢外骨骼助行机器人驱动系统的性能对于保证穿戴者和机器人之间的相互协调并真正实现"人机一体化"至关重要。简要分析了人体下肢运动机制,介绍下肢外骨骼助行机器人驱动系统研究现状,并且对各种不同的下肢外骨骼助行机器人驱动系统进行分析,为下肢外骨骼助行机器人驱动系统的设计提供参考。

外骨骼助行机器人关节运动轨迹研究

外骨骼助行机器人耦合在人体下肢各关节处实现整体协调运动。有效、合理的关节运动轨迹对于外骨骼的辅助运动至关重要。通过对助行机器人结构特征及关节运动角度的分析,采用D-H参数法建立了外骨骼机器人在矢状面内的正向和逆向运动学模型,并通过位姿变换求解出各关节变化量。针对外骨骼助行机器人关节运动进行轨迹规划,利用Matlab Robotics Toolbox中的link函数建立了外骨骼二连杆机构的三维仿真模型,并采用五次多项式插值函数对外骨骼髋关节、膝关节进行了关节轨迹规划。仿真得到关节位移、速度和加速度三个运动轨迹曲线。仿真结果光滑连续,符合外骨骼辅助运动的特征。该研究能够为外骨骼助行机器人的控制设计提供参考。

下肢助行外骨骼结构设计与仿真分析

外骨骼机器人作为当下国内外的研究热点之一,其研究过程融合了机械设计、仿真分析、传感、控制等各项技术。针对当今社会对助行外骨骼的需求,文中从人体下肢结构与运动特性研究角度出发,采用模块化的方法仿人体髋关节设计了一款下肢助行外骨骼机器人。文中使用Solid Works三维软件设计了下肢助行外骨骼的三维模型,对所建立的模型进行了数学建模并通过MATLAB和ADAMS软件对外骨骼进行了仿真分析与验证。结果表明:外骨骼结构设计安全合理,能够满足实际需求。

助行外骨骼机器人研究现状及发展趋势

介绍了国内外负重助行外骨骼机器人和康复助行外骨骼机器人的研究现状,分析了助行外骨骼机器人的关键技术,指出了优化行走步态、实现外骨骼机器人的轻量化、实现人的神经系统与外骨骼机器人之间的直接信息交互、增强续航能力是未来助行外骨骼机器人的发展趋势。

外骨骼式下肢助行机器人结构设计及分析

目的:设计一款仿人体下肢运动的外骨骼式下肢助行机器人,并对助行机器人的机械结构进行静力学和运动学分析。方法:该助行机器人采用伺服电动机驱动方式,通过锥齿轮换向装置使驱动电动机与大小腿构件实现平行布置方式;在小腿处设计弹簧缓冲装置,以达到减震效果。利用ABAQUS软件分析助行机器人在不同姿态时的应力和形变。利用机械系统动力学自动分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems,ADAMS)软件对助行机器人进行运动学分析,并与D-H理论模型计算结果进行对比分析。结果:该助行机器人的应力和形变较小,形变区域主要发生在膝关节处,且各关节的位移变化与D-H模型理论计算一致。结论:该助行机器人符合人体下肢运动特征,能够为助行机器人的结构优化和控制设计提供一定的依据和参考。

外骨骼助行机器人的人机耦合运动特性

利用Motion Analysis三维动作捕捉分析系统,实时记录人体在平地行走的运动过程,获得了步态参数,通过分组对比,研究了老年人的行走特点。根据老年人的运动特性,设计了一种老年人外骨骼助行机器人,建立了穿戴者与外骨骼助行机器人的人机耦合模型,研究了人机耦合运动特性,为外骨骼助行机器人的耦合仿生设计提供了运动学基础。

基于模糊PID的助行外骨骼机器人控制研究

为了研究外骨骼机器人的步态控制,提出了一种基于模糊PID的算法,首先给出机器人的一般增量式PID控制算法,然后根据机器人关节角度误差和误差变化量的参数,选择了隶属函数,最后结合实际操作经验,建立了模糊规则表,完成了对PID参数的在线自整定。试验结果表明,模糊PID控制方法能够使外骨骼机器人平稳运动,初步实现了机器人的步态控制。

基于DSP的助行外骨骼机器人步态控制

助行外骨骼机器人是一种帮助老年人和下肢不便的残疾人扩展行走能力的助力装置.提出一种基于数字信号处理(digital signal processing,DSP)系统的步态控制方法,首先,将连续步态数据离散处理后的结果作为DSP系统的输入,通过执行机构实现机器人的步态行走;然后,在每个步态周期结束之后,通过编码器对步态角度实时采样;最后,控制系统对反馈数据处理后实现步态误差的周期补偿.通过样机试验验证上述方法,得到较好的结果.

下肢外骨骼助力机器人动力学建模及实验研究

下肢外骨骼助力机器人存在人-机关节是否匹配、主动关节设计是否满足人体关节运动的驱动力要求等问题。为解决上述问题,基于所设计的电液伺服驱动下肢外骨骼助力机器人,将其简化为七连杆结构,并结合步态平衡理论,采用牛顿-欧拉法构建了其摆动相与支撑相瞬时动力学模型。然后,将不同步态相位下人体运动时的角度数据、速度数据及机器人结构参数代入牛顿-欧拉动力学迭代方程,求得机器人各关节的理论驱动力矩。最后,开展ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析)仿真实验和人机协同助行实验,通过对机器人各关节的驱动力矩峰值进行比较,验证了所构建动力学迭代方程的正确性和有效性。结果表明,通过采用牛顿-欧拉法来求解下肢外骨骼助力机器人关节的驱动力矩,可为其结构优化与控制策略制定提供重要的理论支撑。

外骨骼助行机器人连续步态规划分析

外骨骼式下肢助行机器人的步态轨迹是当今研究的热点问题,稳定合理的步态运动是外骨骼有效辅助人体的基本保障。针对外骨骼式下肢助行系统的步态轨迹问题,基于零力矩点(ZMP)理论,采用五点规划法将人体步态划分为5个特殊姿态点,并求解相应的位置和角度坐标。利用MATLAB平台的三次样条插值函数模块,求解这些特殊点的三次样条曲线,仿真出髋关节和踝关节的轨迹曲线。最后根据ZMP动态轨迹方程,求解外骨骼系统的ZMP曲线,结果表明步态轨迹连续光滑,与理想的重心轨迹方向一致,符合外骨骼系统的轨迹路径要求。

足下垂助行仪联合Lokomat下肢康复机器人对脑卒中患者步行功能的疗效

目的观察足下垂助行仪训练联合Lokomat下肢康复机器人对脑卒中患者步行功能的影响。方法将36例脑卒中患者随机分为对照组(n=18)和观察组(n=18)。两组均接受常规康复训练。对照组在常规康复治疗的基础上进行Lokomat下肢康复机器人步行训练,观察组在对照组基础上佩戴足下垂助行仪。30 min/次,1次/d,5 d/周,共6周。治疗前后分别采用Fugl-Meyer下肢运动功能量表(FMA-LL)、功能性步行量表(FAC)和足印分析法评定下肢运动功能、步行能力和步态。结果治疗前,两组FMA-LL评分、FAC分级、步态参数(步速、步宽、两侧步长差)均无显著性差异(t<0.765,Z=0,P>0.05)。治疗后,两组FMA评分、FAC分级和步速均有提高,两侧步长差与步宽均减小(t>2.190,Z>3.630,P<0.05);观察组FMA评分、FAC分级、步速及两侧步长差均优于对照组(t>2.030,Z=-2.560,P<0.05),但两组间步宽无显著性差异(t=0.570,P>0.05)。结论足下垂助行仪联合Lokomat下肢康复机器人同步治疗可提高脑卒中患者的步行能力,且疗效明显优于单用Lokomat下肢康复机器人治疗。

外骨骼穿戴式助力助行机器人技术综述

本文首先总结了外骨骼穿戴式助力助行机器人技术在国内外的研究现状,其次分析了典型机器人的机械结构、驱动方式、步态检测、控制方法、能源管理、人机协同协调等关键技术,最后对外骨骼穿戴式助力助行机器人的应用前景和未来发展趋势进行了展望。

一种轮椅式下肢助行机器人的设计及运动学仿真分析

目的:设计一种轮椅式下肢助行机器人,以协助下肢患者进行日常的助行康复训练。方法:利用升降机构和腿部助力机构来完成对下肢患者的助行康复训练,并通过MATLAB软件对腿部助力机构进行了运动学仿真分析。结果:仿真结果表明,在腿部助力机构的带动下,患者腿部的运动规律符合正常人行走时的步态特征曲线。结论:证明了机构设计的合理性,可以用于下肢患者的助行训练。

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。

下肢助行外骨骼髋关节串联弹性驱动器弹性单元优化设计研究

目的串联弹性驱动器是下肢助行外骨骼实现刚柔耦合的重要途径,其弹性单元的设计优劣直接决定了刚柔耦合性能的高低,研究一种应用于下肢助行外骨骼髋关节部位的扭转型串联弹性驱动器弹性单元优化设计方案。方法设计一款针对髋关节部位的特定环形弹性体。选择500~1 000 N·m/rad的刚度作为设计目标,弹性体在加载50 N·m扭矩时变形量定在5°以下,单片承载的设计。结合连接的谐波减速器外形尺寸,弹性元件的具体设计参数为:最大扭矩50 N·m,最大偏转3°,外圈直径69 mm,内圈直径20 mm,刚度954.93 N·m/rad。通过正常人体髋关节扭矩分析,确定髋关节弹性体技术指标,基于SolidWorks建立所设计弹性体三维模型,在ANSYS WORKBENCH中对弹性体厚度、单组弹性梁跨度、弹性梁宽度进行仿真优化。结果取安全系数为1.2,最大应力在1 100 MPa以下时,最终优化分析计算结果为t=13.89 mm,b=1.79 mm,α=88.3°。在该条件下,当输出扭矩为50 N·m时,弹性元件所受到的最大应力、最大柔性转角分别为1 060 MPa、3.049 3°,认为其满足设计要求。得到基于所建模型施加不同扭矩时得到的扭转角度。在等梯度不同扭矩的作用下,弹性体的柔性转角和对应的负载扭矩具有很好的线性关系,在不同负载下其刚度是一致的。由胡克定律k=T/θ,可得弹性元件刚度为:k=939.49 N·m/rad,符合预先设计目标。结论所得扭矩与扭转变形角度在MATLAB中用最小二乘法拟合,其刚度曲线呈线性,证明了仿真优化方案的可行性。

智能助行康复机器人训练结合偏侧注意提醒对脑卒中后偏侧忽略患者下肢功能的影响

目的:通过智能助行康复机器人训练结合偏侧注意提醒的康复治疗,观察1例右侧半球脑梗死后左侧忽略患者的偏侧忽略恢复和下肢功能改善情况。方法:采用智能助行康复机器人训练为主的综合训练(即下肢康复机器人训练+偏侧注意提醒+常规康复治疗)治疗脑卒中偏侧忽略患者,共治疗3周,每周5次。在治疗前后分别通过删除字母试验、星星删除试验、Albert线段划消试验、高声朗读试验、Schenkenberg二等分线段测验、绘图试验评价患者的视觉空间忽略症状,通过听觉测试及触觉测试评价患者的听觉和触觉忽略症状。通过Fugl-Meyer运动功能量表(FMA)评价患者的下肢运动功能,Berg平衡量表(BBS)评价患者的平衡功能,功能性步行分级(FAC)评价患者的步行功能,Barthel指数评价患者的日常生活活动能力。结果:经过3周的治疗,患者的下肢FMA、BBS评分、FAC评级、Barthel指数较治疗前明显提高。患者的删除字母试验、Albert线段划消试验评定中左侧划消数量仍然少于右侧,但较治疗前明显增多,Schenkenberg二等分线段测验评定中的中点偏移率较前明显降低;高声朗读试验评定中左侧文字朗读数量仍然少于右侧,但较治疗前明显增加,绘图试验评定中左侧图形完整性与右侧相当,较治疗前亦有好转;听觉及触觉测试评定中左侧听觉及触觉的探查能力与右侧相当,较前明显好转。结论:在常规康复治疗的基础上,通过智能助行康复机器人训练结合偏侧注意提醒治疗后,患者的下肢运动功能、平衡功能及步行能力较前明显好转,患者偏侧忽略症状亦得到缓解。

基于改进DMPs的下肢助行机器人步行楼梯的轨迹规划

为了辅助下肢功能障碍患者实现在不同尺寸楼梯行走,运用改进的动态运动基元(DMPs)结合机器人运动学分析规划下肢助行机器人运动轨迹和步态。首先,基于D-H模型,建立下肢助行机器人末端机构位姿与各关节角度的关系。然后,使用改进DMPs模仿预先采集到的正常人体步行楼梯轨迹曲线,根据楼梯高度和宽度参数修改目标点,泛化后得到适应新场景的轨迹曲线。再运用机器人逆运动学分析,规划出适应于不同尺寸楼梯的下肢助行机器人踝关节和髋关节运动轨迹。经过仿真实验验证,基于改进的DMPs结合逆运动学分析能有效地规划助行机器人运动的步态,使机器人能适应不同参数的楼梯行走。