一种新型大转角弱耦合并联髋关节外骨骼的设计及分析

为解决并联髋关节外骨骼工作空间小、正运动学建模困难、控制复杂的问题,设计出一种具有大转角、弱耦合特性的生物融合式髋关节外骨骼。开展了二级移动副详细结构的设计,得到了计算沟槽坡度的表达式。采用封闭矢量法推导了人-机复合体的位置正解与逆解,对逆解进行求导,得到了人-机复合体的逆雅可比矩阵。性能分析表明,人-机复合体具有运动范围大、内部无奇异、力传递性能良好、便于控制的优势。

一种髋关节并联康复外骨骼结构设计

目前,对髋关节外骨骼机器人的研究多数采用对髋关节运动进行解耦分析的方法,将髋关节的球副运动解耦成矢状面、冠状面和横断面上的转动运动,设计成串联机构。针对串联机构存在的误差累积以及人机耦合方面的问题,基于对人体髋关节的仿生分析提出一种并联式髋关节康复外骨骼结构,建立结构模型,并对结构进行运动学分析。通过OpenSim软件得到髋关节屈伸、内收外展角度在一个步态周期内的变化曲线,通过D-H坐标系方法得到结构逆解,选取步态数据点与ADAMS软件仿真得到的逆解进行比较验证。结果表明,逆解表达式正确,采用这种并联髋关节外骨骼结构,能够满足人体髋关节的运动转动角度要求,基本可以实现与髋关节运动吻合,有助于提高外骨骼人机交互性能。

并联式髋关节外骨骼设计与基于人机耦合动力学方法的系统实现

同构串联式外骨骼普遍存在人体生物关节轴线与外骨骼机械关节的转动轴线发生偏移(即人机关节失配)的问题。为此,本文提出了一款并联式髋关节外骨骼,通过新型的结构设计消除了人机关节失配的问题和穿戴前繁琐的人机关节校对环节,同时具有人体髋关节的所有运动自由度,并实现髋关节屈曲/伸展和外展/内收方向的助力。另外,为解决并联外骨骼驱动力耦合问题,提出了基于人机耦合动力学模型的控制方法,实现了各支链驱动器的协同助力控制。最后,构建了可穿戴外骨骼样机系统,在穿戴者身上开展了1类外骨骼运动性能验证实验和4类运动助力实验,实验结果验证了所提出外骨骼与人体良好的运动相容性以及控制器助力的有效性。