穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计

本文设计了一种用于下肢功能障碍患者康复治疗的外骨骼机器人。根据外骨骼机器人的功能与工作原理,分析了其结构组成与设计过程中的关键问题。并从仿生学角度为外骨骼机器人配置自由度,设定关节活动范围及连杆尺寸,对机械结构进行了初步分析与优化设计。为进一步的研究、分析、设计工作打下了基础。     

基于迭代学习控制的下肢外骨骼康复训练机器人运动策略

将具有不依赖系统模型精度，并且能够通过不断学习实现高精度控制等优点的迭代学习策略应用于下肢康复训练机器人运动控制.通过分析人体下肢结构与运动特征，得到下肢外骨骼系统各关节的空间位置参数；采用拉格朗日法对下肢外骨骼康复训练系统进行动力学分析，设计迭代学习控制器.仿真结果表明：迭代学习控制策略能够实现高精度跟踪期望轨迹的目标.     

单作用缸驱动的负重外骨骼容积调速液压动力单元分析

负重外骨骼动力单元为外骨骼工作提供动力,要求响应迅速,工作稳定,是整个外骨骼系统长时间稳定可靠工作的关键部分。设计了一种单作用缸驱动的负重外骨骼容积调速液压动力单元,结合人体走行步态对液压动力单元的作用机理进行了分析。为研究负重外骨骼单作用缸的负载组成,建立了负重外骨骼走行过程中支撑态时的动力学方程,为负重外骨骼油缸负载的加载提供了理论依据。为了准确模拟负重外骨骼油缸负载,使仿真结果更加可靠,在ADAMS建立负重外骨骼单腿模型,在AMEsim建立动力单元液压系统模型,通过AMEsim与ADAMS联合仿真对该液压动力单元进行了理论分析,结果表明设计的容积调速液压动力单元响应快,单作用缸运动稳定,能满足外骨骼的使用需求。     

穿戴式外骨骼康复辅具临床应用现状分析

 穿戴式外骨骼康复辅具是一种可穿戴于人体上的智能化生机电控制系统,该系统通过外骨骼与人体肢体间力-位移的交互实现人机动作的耦合,可辅助人体实现某些特定功能,在临床康复治疗领域具有重要应用前景。上肢外骨骼和下肢外骨骼是目前常见的穿戴式外骨骼。上肢外骨骼包括肩肘手臂外骨骼和手指外骨骼,在康复训练中主要应用于中风后患者肩肘关节及腕手关节运动功能的康复训练。下肢外骨骼能够辅助下肢麻痹患者完成站立及运动,在下肢运动功能的康复治疗方面具有巨大的应用潜力。本文综述了目前常见的穿戴式外骨骼康复辅具的特点及其临床应用现状,并总结了目前国内外可穿戴外骨骼的研究进展。     

基于力反馈的上肢康复机器人

针对脑中风引起的偏瘫患者,提出了一种新的基于虚拟现实技术上的上肢康复机器人系统。该系统主要由上肢外骨骼装置,触觉装置,电机控制器和工作站组成。患者穿戴上肢外骨骼机构,安装在患者患侧,通过电机带动外骨骼运动从而使患者患侧运动。在外骨骼运动过程中,通过力反馈机构将患者受力或施力反馈到三维触觉操作器,进而反馈给对其辅助治疗的医生。     

柔性外骨骼助力机器人发展现状综述

与传统刚性外骨骼机器人不同的是柔性外骨骼助力机器人具有轻量化、低惯性、人机贴合性好、柔顺安全等优点.综述当今国内外柔性外骨骼机器人的发展现状,重点分析人机柔性匹配性技术、驱动系统、传感器感知系统、智能控制系统等关键技术,并对其应用前景、研究方向和重点进行展望.     

下肢外骨骼机器人的控制仿真研究

下肢外骨骼机器人是一种复杂的非线性系统,有效控制策略对于人机系统运动的协调一致性至关重要.本文基于外骨骼机器人的动力学分析,提出了下肢外骨骼机器人的控制系统设计,采用模糊PID控制算法,结合ADAMS和MATLAB/Simulink软件,分别以角度误差和关节力矩作为系统输入输出量,对下肢外骨骼机器人的动力学与控制进行联合仿真.仿真结果验证了所提控制算法的有效性,为保证人体与机器人之间的运动协调性和一致性的良好控制提供了理论依据.     

人机携行外骨骼系统行走过程动力学分析

为研究人机携行外骨骼系统行走过程中各关节的力矩,以人机携行外骨骼系统为研究对象,对负重行走过程进行动力学分析,用光学捕捉系统采集人机携行外骨骼系统负重30 kg,不同行走速度下的试验数据.以SINESQR函数为基函数,通过MATLAB平台对试验数据进行拟合,得到各特征角的运动方程.利用达朗贝尔原理建立各关节的力矩方程,通过MATLAB平台进行分析计算,得到在负重30 kg,行走速度为3、4.8、6 km/h下各关节力矩随时间的变化.研究结果为后续人机携行外骨骼系统质心平衡研究提供了理论基础.     

上肢外骨骼运动的逆向求解与仿真

人体上肢是个极其复杂的运动系统,其运动具有复杂性和随意性。研究上肢外骨骼的运动特性为手臂外骨骼的设计提供了重要的参数依据和指导意义。本文提出了四自由度外骨骼机构并论述了其合理性,建立了四自由度的上肢模型及其运动学方程,运用逆向运动学的方法在多种运动轨迹下对上肢运动进行仿真,并对各机构之间运动关系进行测量和分析,仿真结果为外骨骼系统的智能控制及康复训练提供了有效的参考依据。     

一个适用于转换X-machine模型为Java代码的框架的设计与实现

X-machine是一种形式化的、适用于动态系统建模的方法．首先介绍了该建模方法，然后设计、实现了一个可复用的、可转换X-machine模型为Java代码的框架，并给出在蚂蚁仿生系统中应用该框架的实例．     

用于截瘫患者康复训练的足底轮式驱动外骨骼

截瘫患者必须依赖辅具才能保证正常生活,而站立和行走是他们最迫切的需求。该文介绍了一种采用机械结构设计的动力下肢外骨骼,旨在帮助截瘫患者实现交替行走并提高其在康复训练中的参与度。该系统主要包括足底轮式驱动外骨骼和无线控制肘拐2部分。其中外骨骼由置于足底的定制轮毂电机驱动,而肘拐作为辅助器件主要用于保证行走平衡并通过内嵌的无线控制器控制外骨骼行走状态。交替按压左右肘拐上的控制按键可以实现连续行走,而整个行走过程可以完全由使用者实时地掌控。该外骨骼同时设计了电子刹车和最大步长机械限位用以保证使用安全。由一位健康受试者在三维步态分析系统中完成了穿外骨骼和不穿外骨骼情况下的运动对比实验。步态时空参数和运动学曲线表明:该外骨骼可辅助使用者安全而平稳地完成直立行走。     

基于IT2-PCM的上肢外骨骼系统T-S模糊建模与预测控制

针对动态特性复杂的上肢外骨骼系统的模型建立、高精度控制和复杂约束处理问题,提出基于T-S模糊算法的改进多变量约束预测控制方法 .提出区间Ⅱ型可能性C-均值聚类算法,获取数据建模过程中的样本隶属度矩阵,建立上肢外骨骼的数学模型.对系统复杂约束问题提出一种约束简化方法,将复杂约束转化为关于参数矩阵μ的约束.提出一种加权基函数法,将基函数思想引入预测控制,推导出上肢外骨骼预测控制器.仿真结果验证了该算法的优越性与有效性.     

基于三维动态捕捉系统和Matlab的穿戴式下肢外骨骼步态分析

使用三维动态捕捉系统获取人体下肢关键点的运动轨迹和三维数据,用Matlab软件分析数据,绘制时间-坐标图形,建立穿戴式下肢外骨骼的三维模型,为进一步研究穿戴式下肢外骨骼奠定基础。     

钢铁侠外骨骼:赋予超人般的力量,可用于外星探险

正借助尖端科技,未来的宇航员或许将拥有额外的超强能力,就像真实版"钢铁侠"。目前,美国宇航局正在研发"X1机械外骨骼系统",这将赋予宇航员一种超人般的力量,从而使他们在执行远赴火星考察的长期任务中得心应手,或者帮助他们开展太空锻炼。这种重量约26公斤的X1外骨骼装置固定于宇航员的腿上,另外还有挽具固定在人体的背部和肩部。系统在臀部和膝盖部位拥有关节传动装置,另外还有6个被动关节,这种灵活的结构让穿着者的关节可以弯曲、伸展或者侧向行走。     

科学家聚焦仿生学

仿生学(bionics)是模仿生物的科学，即研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等特征，并将它们应用于技术系统，以改善现有的技术工程设备，创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学，是应用生物学的分支，是生物学、数学、工程技术学之间的交叉学科。仿生学的任务是研究生物系统的优异能力及产生原理，将其模式化。再运用于新技术设备的设计与制造，或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。仿生学的研究内容十分广泛，小至微观世界的分子仿生，大至宏观世界的宇宙仿生，主要包括：(1)电子仿生。模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细胞内和细胞间通信、动物间通信等，研制多种人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等；(2)控制仿生。模仿动物体内稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等，研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等；(3)机械仿生。模仿动物的走、跑、飞、游等运动，运用机械结构和力学原理，研制昆虫步行机等机械装置，寻求车辆、舰船、飞行器的最佳设计原理；(4)化学仿生。模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等；(5)医学仿生。包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外，还在研究建筑仿生、农业仿生等。     

气动肌肉驱动的上肢康复机器人动力学仿真

针对目前外骨骼机器人本体结构复杂,人机交互安全性不高的问题,结合驱动系统中气动人工肌肉的轻质、大驱动力、高柔顺性和接近人体肌肉的特性,提出一种基于气动肌肉的外骨骼上肢康复机器人。采用蒙特卡罗方法获得机器人的安全工作空间,并基于拉格朗日方程对外骨骼上肢康复机器人进行动力学建模,通过MATLAB软件对上肢康复机器人动力学特性仿真。     

在摆动相中用于下肢外骨骼跟踪人体踝关节轨迹的方法

为实现外骨骼摆动腿踝关节对人体踝关节运动轨迹的跟踪,建立了外骨骼摆动腿逆运动学模型与卡尔曼滤波预测模型,并在外骨骼摆动腿踝关节处设置人机位姿误差传感器,同时进行了人体步态实验.仿真中以实验测取的人体踝关节相对于其髋关节的运动轨迹作为外骨骼踝关节的跟踪对象,并依此计算外骨骼踝关节处人机位姿误差.采用卡尔曼滤波器对外骨骼摆动腿的髋、膝关节位置进行预测,再利用外骨骼逆运动学模型对预测结果进行校正.结果表明:该方法能良好地实现外骨骼摆动腿踝关节对人体踝关节的运动轨迹跟踪,并且卡尔曼滤波预测能明显改善跟踪的滞后性,同时仅需检测外骨骼踝关节处的人机位姿误差也有助于简化人机之间的传感器布置.     

基于卡尔曼预测的外骨骼摆动腿随动控制研究

针对一种双关节驱动助力外骨骼机器人中人机交互系统所获取的传感器信息滞后于人体运动意图,从而造成执行机构无法及时跟踪摆动腿的运动,导致无法提供助力的情况,运用卡尔曼滤波算法对采集到的下肢运动信息进行运动意图预测,以弥补延时。利用采集的步态周期数据进行控制仿真实验:依据下肢外骨骼单侧腿简化的二连杆动力学模型,将预测信号输入模型,并采用PD控制验证系统稳定性和预测准确度。仿真结果表明,利用该方法可以对人体运动意图进行有效的预测,可用于驱动外骨骼摆动腿进行随动控制。     

下肢外骨骼创新仿生设计及承载性能分析

针对人体膝关节的转动瞬心规律以及人体在行走过程中在支撑相阶段需要外骨骼提供辅助支撑、摆动相阶段需要外骨骼具有较低刚度的特点,设计了一种带有智能张紧功能的自适应变刚度下肢外骨骼.详细描述了该外骨骼的结构和功能,包括大腿物理交互装置、变刚度膝关节装置、踝关节装置等.采用拉格朗日法建立了外骨骼膝关节转动部分的动力学模型,并以...     

一种7自由度外骨骼上肢康复机器人设计与控制研究

针对外骨骼上肢康复机器人自由度受限的问题,根据上肢关节运动机理对上肢结构进行模型简化,提出一种改进的7自由度外骨骼上肢康复机器人结构设计,并对运动支撑的各部分单元进行结构建模和分析,根据安全人机工程学进行了康复运动系统的电气设计与控制研究.研究结果表明,该7自由度外骨骼上肢康复机器人在结构设计上更加符合人因工学,控制机制优化,安全性能良好,为实现后期的实时控制与运动规划奠定了基础.