肩部康复外骨骼单关节摩擦建模及补偿方法研究

针对肩部康复外骨骼关节转动时摩擦力大、反向驱动困难的问题,搭建了一个单关节实验平台,用于模拟肩部单关节的运动。为了较好反映运动中的摩擦力,采用Stribeck摩擦模型对单关节摩擦力进行建模,并通过最小二乘法拟合模型的未知参数,此外结合位置差和电流差的正负号确定摩擦力的方向。实验结果表明,采用Stribeck摩擦模型对摩擦力进行建模后,反向驱动力矩均值至少减少了80%,从而有效解决了肩部康复外骨骼单关节中阻力大、反向驱动困难的问题。

肩关节全驱动上肢康复机器人的设计与分析

针对由脑卒中造成上肢运动功能障碍的偏瘫患者康复训练的问题,设计了一种肩关节全驱动式5自由度上肢外骨骼康复机器人。基于人机工程学与康复医学原理,确定上肢自由度和各关节的运动范围,并设计了上肢康复机器人结构;建立上肢康复机器人的运动学和动力学模型,推导了运动学和动力学方程;对所设计的上肢康复机器人进行仿真分析和工作空间分析,并对比分析了肩关节内收/外展两种运动形式。结果表明,设计的康复机器人关节运动平稳,转矩波动较小,对手臂无过大冲击,进行肩关节内收/外展的运动时间减小。验证了上肢康复机器人设计的合理性和康复过程的便捷性。

上肢运动康复外骨骼肩关节优化设计与系统应用

针对脑卒中患者早期肌肉力量严重不足,需要密集重复性运动康复训练的情况,设计一套外骨骼机器人系统,并结合传统运动疗法提出镜像训练、示教训练和轨迹重复训练等训练模式.镜像训练通过健肢引导患肢运动,促使患者自主训练;示教训练由理疗师引导患肢运动,实现"一对多"分布式训练;轨迹重复训练能够按照理疗师指定的特定轨迹患肢进行动作重复训练.外骨骼机器人系统包含负责位姿检测的主外骨骼和负责动作辅助的从外骨骼2个子系统,两者具有相同的七自由度上肢串联运动学模型.根据人体肩关节旋转中心生理运动形式优化设计外骨骼自适应肩关节,提高了人机运动链相容性.临床实验结果表明:外骨骼系统能够为脑卒中患者提供安全可靠的运动训练.

肩部康复外骨骼机构设计与运动学分析

近年来,脑卒中患者越来越多,在患者的康复过程中会存在一些问题。其中,最常见的是上肢问题,这严重影响了患者的生活健康。设计了一种康复机器人用来代替康复医疗师的工作,康复机器人可以带动肩部实现5个自由度的运动,来帮助患者更快地适应正常的生活。在机械结构方面,采用平行四边形机构与球铰机构设计,可以在患者肩部运动时得到更高的运动学一致性。并且在设计过程中,充分考虑了肩肱节律所带来的问题,从而增加了患者与康复机器人之间的协调性。接下来,对该机构进行正运动学建模,在建模的过程中,通过分析机构的特点,在D-H方法的基础上,提出了一种新的建模方法,可以降低推算难度。最后,通过Matlab和Adams的联合仿真,得到机构末端点的位移曲线,从曲线的轨迹变化可以验证机构运动学方程的正确性。

被动式负重外骨骼站立承重性能评估

目的:评估被动式负重外骨骼在穿戴者站立负重姿态下的承重性能。方法:招募7名健康成年男子作为受试者,在不穿外骨骼无负重、穿戴被动式负重外骨骼背负25 kg制式背包和不穿被动式负重外骨骼背负25 kg制式背包3种条件下保持静止站立姿态10 min,观察受试者斜方肌与竖脊肌的肌电信号、肩部压力和能量消耗等指标。结果:受试者穿戴被动式负重外骨骼负重较不穿外骨骼负重,竖脊肌肌电强度增加,斜方肌肌电强度平均降低68.68%,肩部压力平均降低85.56%,耗氧量、二氧化碳呼出量和能量消耗分别降低9.47%、16.34%、10.87%。结论:该被动式负重外骨骼能减轻穿戴者颈部、肩部肌肉的负担,从而降低能量消耗,提高穿戴者的负重效率,具有良好的承重性能。

基于肩部协同运动特征的康复外骨骼设计与人机相容性分析

受盂肱关节浮动转动中心的生理运动学属性影响,在基于外骨骼的肩部康复中,人体与外骨骼的兼容性将直接影响康复的效果甚至危及患者的安全。通过分析肩部协同运动特征,提出一种结构紧凑的顺应性肩关节自对准机构,并能够实现独立的锁骨和肩胛骨协同驱动锻炼。基于建立的人机闭链系统,提出4种完整的外骨骼构型,以肩部外骨骼运动空间灵巧性为评价标准,确定了最佳构型,设计并开发肩部外骨骼原型样机。穿戴性能测试试验结果表明,前伸和外摆时人机耦合界面相互作用力从20 N和35 N降低至1 N以下,人体自主外展轨迹和外骨骼穿戴对应点外展轨迹具有良好的吻合性,所提出的顺应性肩部康复外骨骼具有良好的人机相容性。

人机相容型肩关节康复外骨骼机构的运动学与灵活性分析

针对人体肩关节运动障碍的康复训练需求,提出一种3R-PU型串联肩关节康复外骨骼机构,可以实现肩关节的内收/外展、前屈/后伸和内旋/外旋运动。通过在人机界面引入被动关节P和U,使外骨骼机构与上臂形成的人机闭链转化为3-DOF运动学恰约束系统,实现外骨骼机构与人体上臂的运动学相容。基于人体肩部各关节间的运动耦合分析,得到盂肱关节转心(Center of glenohumeral,CGH)在上臂抬升过程中相对于胸骨的位置变化关系。通过建立人机闭链的运动学模型,并进行位置逆解析,得到外骨骼机构各运动副的角位移变化曲线;同时,推导了人机闭链的速度雅可比矩阵,进行了运动灵活性分析。结果表明:被动关节P和U的运动幅度均较大,引入被动关节有益于解除人机界面处的运动约束,进而降低人机之间的约束强度;当上臂在0°、45°、90°和135°抬升面内运动时,外骨骼机构具有较好的运动灵活性。研究结果为外骨骼机构的运动规划与控制提供了分析依据。

PPRRRP和RRRPU肩关节康复外骨骼机构运动性能的分析比较

基于外骨骼机构的构型综合和优选原则,提出PPRRRP和RRRPU两种外骨骼构型.在优选的构型中,通过在人机连接处引入被动关节,使外骨骼机构和人体上臂形成的人机闭链转化为3-DOF(自由度)运动学恰约束系统,实现人机运动学相容.从人机闭链整体的角度,分别建立PPRRRP和RRRPU人机闭链运动学模型,通过对被动关节的合理分解及运动学特征分析,推导其运动学约束方程,并分别求得两闭链的速度雅可比矩阵,该方法降低了人机闭链运动学分析的复杂性.通过对速度雅可比矩阵的数值仿真,在冠状面、矢状面和水平面对2种外骨骼构型进行条件数倒数、可操作度椭球以及灵巧操作速度的分析比较.结果表明:在上述3个面内,PPRRRP构型的运动灵活度、运动各向同性和速度操作灵巧性的运动学性能要优于RRRPU.在此基础上,研制了PPRRRP构型的上肢康复外骨骼样机.

绳驱动柔性上肢外骨骼机器人设计与控制

为了提高上肢外骨骼机器人的拟人化程度及关节柔性,设计了一种由串联弹性驱动器和鲍登线驱动的4自由度柔性上肢外骨骼机器人.首先,设计一种六连杆双平行四边形机构,建立肩关节虚拟转动中心,满足人体肩部3自由度运动需求.然后,设计基于串联弹性驱动器和鲍登线的驱动模块,将驱动器和机器人关节分离,降低结构的复杂度,减轻关节质量,实现力矩/位置信息的反馈.最后,构建机器人运动学及动力学模型,设计关节阻抗控制器并对样机肘关节进行阻抗控制实验.由实验结果可知,刚度系数在0.5 N·m/(°)~1.5 N·m/(°)时,力矩跟踪均方根为0.33 N·m;阻尼系数在0.001 N·m·s/(°)~0.01 N·m·s/(°)时,力矩跟踪均方根为0.57 N·m.实验结果表明,调节阻抗控制器中的阻抗系数能够改变关节的刚度和阻尼特性,从而提高人机连接的柔顺性.因此该机器人可以满足康复训练需求.