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。

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。

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。

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。

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.

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。

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。

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。

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。

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。

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。

外骨骼机器人研发应用现状与挑战

可穿戴式外骨骼机器人融合机械设计、信息传感、仿生驱动、控制算法、神经工程等多学科前沿技术,可与人体构成强耦合系统,通过多传感器信息融合技术感知人机状态参数,经智能控制算法驱动助力单元,为穿戴者关节运动提供助力和保护。本文以医疗、民生、军事三个典型应用领域为切入点,重点介绍了国内外外骨骼机器人在医疗康复、助老助行、人体增强等领域的研发应用现状,指出了当前制约外骨骼机器人发展的痛点问题和挑战,提出了针对性解决思路,可为外骨骼机器人关键技术研究和产业化推广应用提供参考。

步行康复训练机器人协调控制的研究

为了实现步行康复训练机器人的协调控制,对外骨骼助行腿与跑步机的协调控制以及减重支撑系统与外骨骼助行腿的协调控制,提出了协调控制方法。最后用假人代替真实患者通过实验验证了外骨骼助行腿、跑步机和减重支撑系统之间的协调控制效果。实验结果表明,步行康复训练机器人能够很好的对假人进行减重步行康复训练,外骨骼助行腿、跑步机和减重支撑系统很好地实现了协调控制,同时为进一步对真实患者进行实验研究奠定了很好的基础。

步行康复机器人轨迹控制方法研究

为了满足神经受损患者步行康复训练需要,设计了以外骨骼助行腿为核心的步行康复机器人,其重要的要求是保证机器人的运动轨迹符合患者康复训练要求。为使机器人能模拟步态为患者提供康复训练,在合理的步态规划后对轨迹的控制方法进行了研究,在控制系统软、硬件平台上完成了步行康复机器人助行腿的两种轨迹控制方式(位置控制和速度控制)。通过实验验证了控制方式的可行性,满足了患者步态训练需要。同时实验结果表明,速度控制方式比位置控制方式更加适合步行康复机器人。

下肢外骨骼机器人交互力激励估计与稳定性分析

为解决下肢外骨骼助行稳定性判据忽略人机交互需求的问题,提出了一种考虑人机交互力的助行稳定性判别和助行速度优化方法。首先,建立并分析了人行走和人-机协同行走的倒立摆模型,并融合质心加速度和足底压力信息来间接表达难以测量的人机交互力,进而给出了CoM-CoP-CoA(质心-足压中心-加速度合成点)数学表达式,探究了人机交互力对外骨骼助行稳定性的影响。其次,在上述数学表达式的基础上,采用区域比较法,提出了基于矩阵不等式的外骨骼助行稳定性判据。再次,为探究助行速度与稳定裕度的关联关系,通过改进的稳定裕度描述法,提出了一种稳定裕度评价函数,用以优化外骨骼的助行速度。最后,开展了3种助行速度下的人机协同行走对比实验,分析了实验结果,并优化了人机协同行走时的速度。实验结果表明,所提出的稳定性判据和评价函数能够实现对外骨骼助行稳定性的判别及助行速度的优化。

下肢外骨骼助力机器人关节驱动设计及试验分析

针对人体下肢关节特点与助行要求,设计了外骨骼机器人关节结构;通过ADAMS软件仿真,分析了外骨骼机器人水平助行过程中关节功率配置需求,根据关节需求设计了外骨骼电液伺服驱动系统;为满足外骨骼机器人对人体下肢关节助力及柔顺性要求,提出了基于关节误差估计的PID控制方法。详细介绍了外骨骼机器人下肢关节结构的运动形式与技术参数,优化配置了关节结构的运动范围与驱动行程,对该机器人进行了运动学分析并通过外骨骼的典型动作进行验证;划分了外骨骼助行过程中步态与关节驱动映射,给出误差估计与补偿PID控制的具体参数;分别从关节跟踪与助力功率的角度,量化分析、对比了基于关节误差估计与常规PID两种控制方法的助力指标参数。试验结果表明,所设计外骨骼关节与驱动系统可实现穿戴者助力行走;对比常规PID控制,抑制了关节驱动控制输出区间的不连续,改善了关节跟踪误差,提升了助力效果与柔顺性。