下肢外骨骼康复机器人的动力学建模及神经网络辨识仿真

外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真

ｂａｓｉｓ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｌｌｂｅｃａｒｒｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｆｕｒｔｈｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｊｏｉｎｔｔｏｒｑｕｅ，
ｉｔｗａｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｒｉｖｅｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏ０８１，Ｃｈｉｎａ）
ｔｕｒｅａｎｄｈｕｍａｎｍｏｖｅｍｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｏｔｈｅｒａｓｐｅｃｔｓｌｉｋｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｒｉｖｅａｎｄｗｅｉｇｈｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄＳＯｏｎ，
ＧＡ（）Ｙｕｈｅ。ＺＨＡＮＧＨｕ。ＳＯＮＧＱｉｕｚｈｉＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ

下肢外骨骼康复机器人动力学仿真与

2022年第46卷第12期Journal of Mechanical Transmission下肢外骨骼康复机器人动力学仿真与分析马晓君1刘玉阳1贾秋生2刘德胜3刘训报1袁铭润3（1佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯154007）（2哈尔滨轴承集团公司，黑龙江哈尔滨150002）（3佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯154007）摘要下肢外骨骼康复机器人可以有效提高下肢运动功能受损患者的康复效率，减轻康复医师的工作量。

设计了一款气动肌肉驱动的下肢外骨骼康复机器人。

为探究外骨骼机器人运动状态和各关节运动机理之间的关系，采用拉格朗日方程对下肢外骨骼进行动力学建模，将建立好的虚拟样机模型导入Adams中进行动力学仿真，得到下肢外骨骼康复机器人在不同运动状态下各关节在运动过程中转矩的变化情况，对仿真数据进行分析，验证了数据的正确性，为下一步实物样机制作及驱动器的选择提供了理论依据。

关键词外骨骼机器人拉格朗日方程动力学仿真虚拟样机Simulation and Analysis of Dynamics of Lower Limb Exoskeleton Rehabilitation Robots Ma Xiaojun1Liu Yuyang1Jia Qiusheng2Liu Desheng3Liu Xunbao1Yuan Mingrun3（1School of Mechanical Engineering,Jiamusi University,Jiamusi154007,China）(2Harbin Bearing Group Corporation,Harbin150002,China)（3School of Information and Electronic Technology,Jiamusi University,Jiamusi154007,China）Abstract A lower limb exoskeleton rehabilitation robot can effectively improve the rehabilitation efficien⁃cy of patients with impaired lower limb motor function and reduce the workload of rehabilitation physicians. Therefore,a lower limb exoskeleton rehabilitation robot is designed,the relationship between the motion state of the exoskeleton robot and the motion mechanism of each joint is explored,the Lagrange equation to model the dynamics of the lower limb exoskeleton is used and the established virtual prototype model into Adams for dy⁃namic simulation is imported.Further,the torque changes of each joint of the lower limb exoskeleton rehabilita⁃tion robot in different motion states are obtained.The data are analyzed to verify the correctness of the data, which provides a theoretical basis for the next step of the physical prototype fabrication and the selection of the actuator.Key words Exoskeleton robot Lagrangian equation Dynamics simulation Virtual prototype0引言现如今，由于脑卒中、车祸或其他原因引起身体运动功能受损的人口数量在不断增加，从事有关康复训练的专业人员严重不足，因此，开发一种能够代替康复医师工作的机器人成为当下一个研究热点[1]。

基于外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人结构设计与仿真

二、文献综述
传感器设计是下肢康复机器人的关键部分，它可以实时监测患者的运动状态和机器人与患者之间的交互力。例如，一些传感器设计采用了力传感器，以监测机器人与患者之间的相互作用力；还有一些传感器设计采用了运动传感器，以监测患者的运动状态。
二、文献综述
然而，现有的下肢康复机器人在机构设计、控制系统和传感器设计等方面仍存在一些问题和挑战。例如，一些机构的机械结构复杂，使得机器人的重量和体积较大；一些控制系统的智能化程度较低，无法实现个性化的康复治疗；一些传感器的准确性和稳定性有待提高。因此，本次演示将对外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人的结构设计进行探讨，并利用仿真技术对其进行优化和完善。
基于外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人结构设计与仿真
01 一、引言
目录
02 二、文献综述
03 三、研究设计
04 四、实证研究
05 五、案例分析
06 六、结论
一、引言
一、引言
随着现代医疗技术的不断发展，康复机器人作为一种新型的康复治疗手段，逐渐在康复医学领域得到广泛应用。其中，基于外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人因其能帮助下肢运动功能障碍患者进行科学有效的康复治疗而受到特别。本次演示将对外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人的结构设计进行探讨，并利用仿真技术对其进行优化和完善。
五、案例分析
五、案例分析
以一个实际案例为例，我们介绍如何利用外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人进行治疗，并对其效果进行评估和分析。该案例中，患者是一位因为脑卒中导致下肢运动功能障碍的老年人。在使用外骨骼式下肢康复机器人进行为期三个月的康复治疗后，患者的下肢运动功能得到了显著改善。通过机器人的辅助训练，患者的步行速度和耐力都有了明显的提高。同时，患者在治疗过程中并未出现不适或者皮肤损伤的情况，表明该机器人的安全性较高。

全方位移动下肢康复机器人的虚拟样机建模和仿真

起到重要作用【５ｊ．随国民经济的发展，这类特
测试最佳设计方案的等效数字化软模型，一定程度上反映产品的外观、结构、运动学和动力学特性．其优点是具有建模简单、快速，模型可视化强、参数可调、且能和ＭＡＴＬＡＢ等控制系统软件联合仿真等．本文首先针对全方位移动型下肢康复机器人机构进行运动学和动力学分析，建立机器人运动学和动力学数学模型，然后再采用ＡＤＡＭＳ虚
沈
阳
化
工
大
学
学பைடு நூலகம்
报
（４）假设车体几何中心到各轮之间的长度为ｌ，４轮的半径相等，正交角为９０。；
（５）假设机器人在一个平坦的地面运动，忽略地面的不规则情况；
其中：ｖ＝ＶＣＯＳ；ｖ＝ｖｓｉｎ０．
全方位移动下肢康复机器人的虚拟样机建模和仿真
姜莹，白保东
（１．沈阳化工大学信息工程学院，辽宁沈阳１１０１４２；２．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳１１０８７０）摘要：通过对全方位移动康复机器人的运动学和动力学分析，建立机器人的动力学控制模型，
制成本更高．基于此，本文研究全方位下肢康复
全方位移动康复机器人运动学方程的推导基于如下几点假设：

下肢外骨骼机器人的控制仿真研究

下肢外骨骼机器人的控制仿真研究王立柱;陈炜;马利;张西正【摘要】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.%The lower limb exoskeletons robot is a complex nonlinear system,the effective control strategy is important to the consistency of human-machine system moving.Based on the dynamics analysis above,the control design of this robot system is proposed with the fuzzy PID algorithm,and a co-simulation of dynamics and control for this rehabilitation robot is completed by using of a combination of ADAMS andMATLAB/Simulink,with the error of angel and the torque of joint used as input and output variable.The results demonstrate the effectiveness of the control strategy,which provides theoretical basis for ensuring the good control of consistency and coordination between human body and lower limb exoskeleton robot.【期刊名称】《天津理工大学学报》【年(卷),期】2017(033)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】下肢外骨骼机器人;模糊PID控制;联合仿真【作者】王立柱;陈炜;马利;张西正【作者单位】天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161【正文语种】中文【中图分类】TP242.3ADAMS是最为常用的动力学仿真软件，可以建立简单的三维模型进行动力学及运动学的仿真[5].考虑到下肢外骨骼机器人的复杂性，利用ADAMS直接建模过于繁琐，因此利用三维建模软件SolidWorks以表1的人体特征参数为依据建立其三维实体模型，并通过MSC.Dynamic Designer for SolidWorks数据接口将该模型导入动力学仿真软件ADAMS中，如图1所示.在ADAMS中，机器人虚拟样机的每条腿分别有三个关节，当机器人直行时侧向的摆动十分微小可以忽略不计，因此在六个关节处均建立转动副，在机器人与地面间建立接触，并设置接触的硬度、渗透度及粗糙度等参数使外骨骼双脚与地面之间的接触力大小合适.人体正常行走步态周期可以划分为4个阶段：1）右单腿支撑；2）右双腿支撑；3）左单腿支撑；4）左双腿支撑.根据人体的对称性和行走的周期性，可将步态周期进一步归结为两种行走模式：单腿支撑模式、双腿支撑模式.其中单腿支撑模式占60%，双腿支撑模式占40%.本文以单腿支撑模式为例，建立其动力学方程[6].单腿支撑模式即一条腿与地面接触支撑，另一条腿处于悬空摆动状态.七连杆单腿支撑模型如图2所示，包括左右小腿、左右大腿、上身躯干.选取地面上任意一点为坐标原点建立坐标系，假设左脚脚尖的坐标为，为各段的质量，所处的位置为各段的质心位置；为各段的长度；为各段质心到关节的距离；为各段与垂直轴的夹角，顺时针方向为正.在图2所示坐标系下，系统整体的总动能为式（1）中为各段的转动惯量.系统的总势能为由（1）、（2）式可得，下肢系统七杆模型单腿支撑模式的拉格朗日函数为将式（3）代入拉格朗日动力学方程（4）中，求得下肢康复机器人各关节所需的驱动力矩τ如（5）式所示.机器人在运动过程中，控制系统的建立一般以连杆之间关节角度θi作为反馈量，并通过对电机力矩的控制来实现机器人轨迹的跟踪控制，而在建立的笛卡尔坐标系下相邻连杆之间的转角θi与qi存在式（6）关系将式（6）带入式（5）后，得各关节的驱动力矩为M（θ）为广义质量矩阵，C（θ，θ）为向心力及哥氏力矩阵，G（θ）为重力矩阵. 下肢外骨骼机器人辅助穿戴者行走过程中，受到路面不平、机构配合等外界条件的干扰，各个关节的实际运动角度与人体的关节运动规律之间难免会存在误差.为实现对下肢外骨骼机器人各关节旋转角度精确控制，并使系统能够快速有效地响应，本文采用模糊-PID控制算法，建立机器人的控制系统，通过改变各关节施加力矩的大小来实现机器人关节角度的变化，从而使得下肢机器人各关节的旋转角度得到精确控制.PID控制主要根据系统的误差，利用比例环节、积分环节和微分环节等计算出系统控制量而进行控制，具有简单易操作、运行较稳定以及较为优秀的鲁棒性等特点[7].针对下肢外骨骼机器人模型，在其动力学分析的基础上，建立系统的控制律为式（8）中，e为关节角度误差，e为关节角度误差变化率，M（θ）为惯性矩阵，C（θ，θ）表示离心力和哥氏加速度项，G（θ）为重力项，Kp为比例增益，Ki为积分增益，Kd为微分增益.根据式（8）确立的系统控制律，进行对PID控制器初始参数的整定，整定方法多种多样，有动态特性参数法、稳定边界法、衰减曲线法等[8].本文PID控制系统初始参数的设定由试凑法确定，对参数的调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤，当系统超调量过大时，减小Kp的值、增大Ki值，尽量减小超调量，当系统响应静态误差较大时，减小Ki值并适当减小比例增益Kp值，经过反复不断调节三个参数变化，最终得到相对稳定的控制参数.下肢外骨骼机器人系统为复杂的强耦合、非线性系统，由于传统的PID控制的参数不能随系统的变化而调整，控制效果不是很理想，从而加入模糊控制不断优化PID控制器的三个参数，实现更加稳定的控制，如图4所示.模糊-PID是在PID算法的基础上通过比较理论输出值与实际输出值的大小，得出当前系统误差e和误差变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，得出PID 参数的变化量△Kp，△Ki，△Kd，所以模糊子系统的输入量为下肢外骨骼机器人的实际关节角度与理论人体关节角度的误差e及其变化率ec，输出量为PID 参数的变化量△Kp，△Ki，△Kd.本研究中，输入量和输出量的模糊子集均设置为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，模糊子集中的元素分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，其中输入量e和ec的模糊论域为{-6，6}.输出量△Kp的论域为{-0.3，0.3}，的论域为{-0.06，0.06}，△Kd的论域为{-3，3}.方便起见，输入量和输出量的模糊子集均采用中间高两边低的三角形隶属函数.误差e及ec其变化率的大小可分为以下三种情况[9]：1）当偏差e较大时，通过尽快消除误差从而减少系统调节时间，同时避免e值的突变引起微分过饱和是控制的主要目的.由经验可知，应取较大Kp值以及较小Kd 值；此外，为避免系统响应产生较大超调，防止积分饱和，应令Ki=0，即去掉积分作用.2）当e和ec符号相同时，e的绝对值将会增大.此时，根据e值大小不同，存在三种情况：一是e和ec值处于中等大小，系统状态处于跟随阶段，取适中大小Ki、Kd值以及较小Kp值，从而达到外骨骼助力腿系统响应的超调量变小；e二是值处于较大状态，取较大Kp值，中等Kd值以及较小Ki值，外骨骼助力腿系统通过调控达到较好的稳态动态特性；三是e值较小，为避免产生振荡，保障外骨骼机构系统的稳态性能，选取尺度适当但又能控制误差变化趋势的中性控制，可取中等Kp值，较小Kd值以及较大Ki值.3）当e和ec符号相反时，偏差e的绝对值将会减小.以保障外骨骼系统有良好的稳态性能，选取较大Kp和Ki值以及适当的Kd值，防止系统在稳定值附近出现振荡现象的同时还能拥有较好鲁棒性.根据以上三种情况采用“if…and…then…and…”的形式制定模糊控制器相应的模糊规则共49条，如图4所示.将虚拟样机模型与控制集成相结合，进行基于ADAMS和MATLAB的联合仿真[9].由仿真分析软件ADAMS提供下肢外骨骼辅助机器人的简化三维模型、运动学模型和动力学模型，控制软件MATLAB提供控制目标角度变化、控制算法.通过二者之间的数据接口进行交互协调，MATLAB将模型的力矩控制指令送给ADAMS，后者将外骨骼辅助机器人关节角度反馈给前者，形成完整的闭环控制系统，如图5所示.图6为系统的Simulink仿真图，其中fuzzy为已封装的模糊子系统如图7所示，当角度误差及误差变化率不断变化时，经过模糊优化算法，得到PID控制器的三个参数.在经过根据控制率式（8）编写的s-函数，得出各关节驱动力矩值，施加到虚拟样机模型各关节处.MATLAB和ADAMS联合仿真结束后，以髋关节、膝关节为例，下肢外骨骼机器人模型实际运动角度与理论角度规律间的误差如图8～图11所示，由于整体转动惯量的变化和足部和地面接触和摩擦所造成的影响，使得关节实际角度与理论值之间的误差始终存在波动，传统PID控制最大幅值可达6度左右，而本文所设计的控制方法的误差曲线虽然也存在波动，但其波动幅值在3度以内，起到了良好的控制效果.本文将下肢外骨骼辅助机器人简化为七杆模型，与简单的五杆模型相比，更符合人体的正常行走模式.针对下肢外骨骼复杂的系统模型，采用模糊-PID控制方法建立了外骨骼机器人的控制系统，通过ADAMS与MATLAB之间的接口模块，实现了机器人基于ADAMS与MATLAB的联合仿真，仿真结果显示，模糊-PID控制算法在下肢外骨骼机器人辅助穿戴者行走时是十分有效的.与传统的PID控制相比较，关节角度变化更加准确，误差相对更小，保证了机器人与人之间的协调一致性.【相关文献】［1］Zoss A B，Kazerooni H，Chu A.Biomechanical design of the berkeley lower extremity exoskeleton（BLEEX）［J］.International Journal of Robotics Research，2006，11（2）：128-138.［2］Kong K，Jeon D.Fuzzy control of a new tendon-driven exoskeletal power assistive device［C］//IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.Proceedings.San Francisco：American society for mechanical engineering press，2005.［3］陈贵亮，周晓晨，刘更谦.下肢外骨骼康复机器人的灵敏度放大控制研究［J］.河北工业大学学报，2015，44（2）：53-56.［4］王峰明.下肢外骨骼助力机器人的设计与控制研究［D］.长春：吉林大学，2015.［5］郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008. ［6］韩亚丽，王兴松.下肢助力外骨骼的动力学分析及仿真［J］.系统仿真学报，2013，25（1）：61-67.［7］陈贵亮，郭建立，刘更谦.下肢康复机器人膝关节动力学分析与控制［J］.河北工业大学学报，2013，42（5）： 71-75.［8］李星星.可穿戴式下肢康复机器人控制系统的设计［D］.成都：电子科技大学，2010. ［9］余正飞.模糊自适应在下肢外骨骼助力腿中的仿真研究［D］.厦门：厦门大学，2014.。

人体下肢外骨骼康复机器人的仿真分析

人体下肢外骨骼康复机器人的仿真分析夏田;桓茜;陈宇;徐建林【期刊名称】《陕西科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(034)006【摘要】The kind of device of human lower limb exoskeleton rehabilitation robot is a kind of service robot ,w hich is designed to be used for assisting the life of old people and sufferer , based on the motor drive .By establishing the D‐H mathematical model of human walking posture ,the coordinate equations of hip joint ,knee joint and ankle joint are derived .Under the ADAMS environment ,the simulation results show that the joint s of the lower limb exo‐skeleton have a continuous trajectory in space , w hich can meet the motility of the joint movement ,and meet the motion characteristics of the human lower limb .A prototype test platform is set up to test the angle curve which changes with the cycle .The motion trajectory of the lower limb exoskeleton is verified ,and the experimental curves and the simulation curves are basically consistent .%采用电机驱动方式，设计出一种用于辅助老年人和患者生活的服务型机器人———人体下肢外骨骼康复机器人，通过建立人体行走姿态时的D‐H数学模型，推导出了髋关节、膝关节和踝关节行走姿态中的坐标方程。

下肢外骨骼运动康复机器人的动力学分析与仿真

下肢外骨骼运动康复机器人的动力学分析与仿真
王长剑;赵一平
【期刊名称】《淮北师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】通过对正常人体的步态数据进行分析,提出一种下肢外骨骼机器人的鲁棒自适应PD控制策略,首先运用NOKOV三维红外捕捉系统收集正常人体步态信息,然后运用拉格朗日法分别建立单脚支撑和双脚支撑动力学模型,再根据构建的模型选取适应的控制器,最后通过MATLAB仿真验证设计的控制方式的稳定性与数据的正确性。

设计的机器人髋关节和膝关节都能快速跟随到期望角度,同时通过相似函数验证机器人的运动轨迹与人体运动轨迹高度相似,表明机器人具有良好舒适性,也验证数据正确性。

说明提出的控制方法是有效的,可为后续驱动源的选择等提供参考,有助于受伤运动员进行康复运动。

【总页数】8页(P74-81)
【作者】王长剑;赵一平
【作者单位】淮北理工学院体育教学部;淮北师范大学体育学院
【正文语种】中文
【中图分类】G818.3
【相关文献】
1.人体下肢外骨骼康复机器人的动力学分析与研究
2.下肢外骨骼康复机器人的动力学建模及神经网络辨识仿真
3.下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真
4.外骨骼
型下肢康复机器人结构设计与动力学分析5.脑卒中患者下肢外骨骼康复机器人步态规划与运动学仿真
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下肢外骨骼康复机器人的动力学建模及神经网络辨识仿真

第１１期２０１３年１１月
机械设计与制造
Ｍａｃｈｕｒｅ１９７
下肢外骨骼康复机器人的动力学建模及神经网络辨识仿真
陈贵亮，李长鹏，赵月，刘更谦
ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓｔｏｅｓｔｂｌａｉｓｈｔｈｅｄｙｎｍｉａｃｏｄｍｅｌｏｆｌｏｗｅｒｌｉｍｂｓｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｓｎｒｅｈｂｉａｌｉｔｔａｉｏｎｒｏｂｏｔ，ｔｏｒｅａｌｉｚｅｉｎｖｅｒｓｅｄｙｎｍｉａｃｓ
现外骨骼的灵敏度放大控制提供保证。
关键词：下肢外骨骼康复机器人；ＢＰ神经网络；Ｍａｔｌａｂ／ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；逆动力学
中图分类号：ＴＨ１６；ＴＰ２４２文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ３９９７（２０１３）１１－０１９７ — ０４
ＤｙｎａｍｉｃＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＬｏｗｅｒＬｉｍｂｓＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓＲｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎＲｏｂｏｔ
ｊｏｉｎｔｔｏｒｑｕｅ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｏｉｎｔｈｅｉｎｐｕ￣ｏｔｕｐｔｕｄｔａａｒｅａｔｒａｉｅｄｎｔｏｇｅｔｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｓｎｉｎｖｅｒｓｅｄｙｎｍｉａｃｓｄｙｎａｍｉｃｍａｔｅｍｈａｔｃｉａｌ

下肢外骨骼机器人动力学分析及设计

Internal Combustion Engine &Parts图1单足支撑期七杆结构建模模型0引言外骨骼机器人是一种人机一体化的装置，能够穿戴在人们的身上，帮助人们实现防护、支撑以及运动的功能。

将外骨骼机器人穿戴在士兵身上，能够有效提高其越障能力和承载能力，促使士兵单兵作战力有效提高。

目前，国内外相关专家在对下肢外骨骼机器人建模当中忽略了踝关节的重要作用，因此，本文结合以往的研究数据，优化下肢的动力学建模方法，通过研究人体的下肢步态与自由度，实现动力学分析，并实现结构的设计，进而仿真验证。

1人体下肢动力学建模人类行走的运动是一个相应步态周期，即单足支撑期→双足支撑期→单足支撑期，在总支撑期中，单足支撑期占到步态周期约40%，而双足支撑期占到步态周期约60%。

以往研究当中在对人体的下肢建立模型中，属于五杆机构，但是忽略了踝关节，本文结合踝关节的重要作用，将其优化为七杆结构。

1.1单足支撑期动力学建模针对简化后的七杆结构模型，通过方法对比，适合选择牛顿—欧拉法进行建模。

建模当中坐标系其相应定义与各个杆件实际参数可见图1，其中D-H 相应连杆的扭转角可见表1。

通过对相应杆的质心进行设定，可得到极坐标中相应位置向量，并能求出相应杆的质心与坐标系其原点之间的实际距离。

针对相应公式进行二阶导数的求导，能够获得相应杆质心具体的加速度。

进而得出相应杆的实际角速度与角加速度。

若设定相应杆为i 杆，则其受力分析如图1。

1.2双足支撑期动力学建模结合双足支撑期实际简化得到的连杆模型（如图2），此时的坐标系定义和杆件具体参数可参考单足支撑期相应定义方法。

在双足支撑期相应第一杆到第六杆方程和单足支撑期相应方程是一样的，只需结合相应科学原理与相关数据对第七杆的方程进行确定即可。

通过相应方程就能够得到相应杆实际力矩和与之存在联系的相应力。

之后，按照依次向前的顺序实现各个关节力矩和关节力的科学推导[1]。

下肢外骨骼机器人动力学分析及设计姜璐;王宇克（河南科技大学车辆与交通工程学院，洛阳471003）摘要:目前我国军事在单兵装备方面不断增加与升级，同时士兵自身负担也在不断加重，运动也不再灵活，在身体机能与抵抗力不断降低的基础上，士兵难以以充足的战斗力参与到战争当中。

下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真

下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真一、本文概述随着医疗科技的快速发展，下肢康复外骨骼机器人作为一种新型康复设备，正日益受到研究者和医疗工作者的关注。

本文旨在对下肢康复外骨骼机器人的动力学特性进行深入分析，并通过仿真实验验证其理论分析的准确性。

文章首先介绍了下肢康复外骨骼机器人的研究背景和应用意义，阐述了其动力学分析的重要性。

随后，本文详细阐述了下肢康复外骨骼机器人的动力学建模过程，包括机器人的运动学模型、动力学模型以及控制模型的建立。

在建模过程中，考虑了机器人的结构特点、运动规律以及人机交互等因素，确保了模型的准确性和实用性。

在完成动力学建模后，本文利用仿真软件对下肢康复外骨骼机器人的动力学特性进行了仿真实验。

仿真实验包括了机器人在不同运动状态下的动力学响应、人机交互过程中的力传递特性以及控制策略的有效性等方面。

通过仿真实验，本文验证了动力学模型的正确性，并为后续的实物实验提供了理论支持。

本文总结了下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真的主要研究成果，并指出了未来研究方向。

通过本文的研究，不仅有助于深入理解下肢康复外骨骼机器人的动力学特性，还为优化机器人设计、提高康复效果以及推动医疗康复领域的发展提供了有益的参考。

二、下肢康复外骨骼机器人概述下肢康复外骨骼机器人是一种辅助人体下肢运动，帮助进行康复训练的先进医疗设备。

这种机器人通过精密的机械结构和智能控制系统，能够实时地感知并适应穿戴者的运动意图，提供必要的助力或阻力，以达到改善运动功能、增强肌肉力量、促进神经恢复等康复目标。

下肢康复外骨骼机器人通常由支架、传感器、执行器、控制系统等部分组成。

支架负责支撑和保护穿戴者的下肢，同时提供运动的轨迹和范围。

传感器则负责实时感知穿戴者的运动状态、肌肉力量、姿态等信息，为控制系统提供决策依据。

执行器则根据控制系统的指令，驱动机械结构产生相应的动作，提供助力或阻力。

在动力学分析方面，下肢康复外骨骼机器人需要考虑穿戴者的运动学特性和动力学特性，以及机器人自身的机械特性、控制特性等因素。

穿戴式下肢负重外骨骼机械人机构设计与动力学仿真_杨凯

图2
外骨骼自由度设计实体模型
3 步行质心轨迹生成
3.1 可变 ZMP 的三维倒立摆模型
利用 D－H(Denavit－Harenberg)建模方法及 4×4 齐次变换矩阵来描述外骨骼下肢各连杆坐标和相对空间的几何关系[5]。为合理规划下肢外骨骼的步行关节轨迹，可以将其简化为一个图 3 所示的三维倒立摆模型，并且让 ZMP 点在脚底着地的稳定区域内按照某种规律合理地，则脚的踝关节到脚的边缘的变化。其中，取踝关节所在的位置为基准坐标系 P0=（x0, y0, z0）距离分别为 La、 Lb、 Lc、 Ld 。质心的位置为 Pcog=[xcog , ycog , zcog]T, 零力矩点的位置为 Pzmp=[xzmp , yzmp , 0]T。下肢外骨骼机械人在步行周期内，假设其质心的高度位置始终为 Hc；质心在竖直
()
式中，k 为 ZMP 的可变系数，且满足 0 k 1 ，当 k =0 时，ZMP 的可变范围最小，固定在脚底的中点位置；当 k =1 时，ZMP 的可变范围最大，可以在整个脚底范围内变化。由公式(1)、 (2)经积分得到单脚支撑期的质心运动轨迹公式为：
xc xc cos t t0 t t0 cTs sin x x zmp Ts Ts
X0
图 3 三维倒立摆模型
3.2 按照余弦规律变化的 ZMP 运动轨迹
以 C.Zhu 等人提出的 ZMP 倒立摆模型生成步行轨迹方法[6]。在此研究成果基础上提出按照余弦规律变化的可变 ZMP 方法。定义可变 ZMP 的时间函数为：
L a Lb L Lb t k cos( ) a Ts 2 2 Lc Ld Lc Ld t y zmp ( t ) k cos( ) Ts 2 2 x zmp ( t )

移动式下肢外骨骼康复机器人机构设计和轨迹跟踪控制

一些研究团队将机器学习、人工智能等先进技术应用于下肢外骨骼机器人的轨迹跟踪控制中，取得了较好的效果。
研究内容和方法
本研究的主要内容包括
移动式下肢外骨骼康复机器人的机构设计、轨迹跟踪控制算法设计和实验验证。
研究方法包括
理论建模、数值仿真、实验验证等。首先建立下肢外骨骼机器人的运动学模型和动力学模型，然后设计基于神经网络的轨迹跟踪控制算法，最后进行实验验证和数据分析。
针对下肢运动功能障碍患者，传统的康复训练方法存在一些限制和不足，而下肢外骨骼机器人可以提供更加精准、高效的康复训练方案。
移动式下肢外骨骼康复机器人可以实现人体下肢运动的全方位辅助，提高患者的康复效果和生活质量。
相关工作
国内外研究者已经开展了一些关于下肢外骨骼机器人的研究，主要集中在机构设计、运动控制、传感器融合等方面。
源、传感器等部分。
数据采集
03
在患者进行康复训练的过程中，记录相关数据，包括步态周期
、步长、步高、关节角度等。
数据分析和结果展示
数据处理
对采集到的数据进行清洗、预处理和分析，提取关键指标，如步态周期、步长、步高和关节角度等。
结果展示
通过图表和统计数据展示分析结果，包括患者步态特征的变化趋势、康复训练对患者的效果评估等。
该研究成果不仅适用于康复领域，还可以应用于辅助行走、运动员训练等领域，具有广泛的应用前景和市场价值。
07
参考文献
参考文献
基于生物学原理的设计
为了更好地适应人体下肢的运动生理特征，研究人员根据人体下肢的生物力学特性，设计了一种基于生物学原理的移动式下肢外骨骼康复机器人机构。这种机构能够模拟人体行走时的步态，并能够根据患者的运动状态和运动意图进行相应的调整。

下肢外骨骼机器人结构设计和动力学仿真

下肢外骨骼机器人结构设计和动力学仿真杨宗林;曾亿山;王善杰【摘要】为增加单兵作战能力,以人为核心,同时具有机械的高负载能力、耐力、长时间运动能力,设计出一款结合人工智能与机械的助力机器人.机械设计以人体下肢结构参照,模拟人体下肢关节、运动自由度的分布,以达到人机高度协调.通过对人正常行走时步态的分析,测出主要关节随的运动轨迹以及拟合出对应算法.用Matlab 将该算法进行计算,获得对应关节的运动数据,再将该数据导入Adams所建的模型,进行动力学仿真.仿真得出各个关节处驱动器相关参数,为驱动器的选型提供参数参考.经过步态规划,机器人可模拟正常人的步伐,仿真结果真实可靠.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】4页(P91-93,97)【关键词】助力机器人;步态规划;动力学仿真【作者】杨宗林;曾亿山;王善杰【作者单位】合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TH16;TP24随着现代军事的发展和对单兵作战能力要求的提高，步兵正在按照机动力、防护力、进攻力和信息力分别提高的路径发展，单个士兵所携带的装置也日趋复杂、沉重[2]。

外骨骼机器人是一种并联在人体上机电一体化装置，随人体一起运动[3]，能够提供助力，减少人体疲劳。

目前国内外的外骨骼机器人驱动方式主要有液压、气动、电动三中常用方式[4]。

液压驱动系统虽然体积小、推力大，但可靠性差、维护麻烦[5]。

气动驱动系统推力偏小，不能实现精确的中间位置调节[6]。

本设计将采用电缸驱动的方式，其主要优点有：精确度高，调速方便，噪音小等。

通过对下肢外骨骼机器人（EXO-P）结构的设计和动力学仿真，可以为电缸的选型以及控制提供依据。

为了做出一种能够快速响应的外骨骼机器人，EXO-P选用伺服电缸的方式。

下肢康复外骨骼机器人模糊PID控制研究与仿真

&( *)+!) ,")" -!) ,.!)# )
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有静态误差则不能消除$需要人为处理' 而本外骨骼机器人需要精确的控制$如果增加死区$太小的话起不到明显作用反而增大了计算量$而设置偏大则会令输出曲线无法紧随输入曲线$导致跟随效果变差'
模糊控制"+5ZZ<I7=6R7># 是一种由模糊集理论& 模糊控制逻辑和模糊语言变量为基础组成的智能控制方法())' 它能够模仿人脑思维来对一些不方便建立数学模型的系统进行控制' 模糊控制系统主要由- 个部分组成!模糊化接口&推理机&知识库和反模糊化接口()) '
21234 396>9C D4:85>:=E
析对比$验证所设计方法的合理性' 由于采用了开关
切换式模糊/01$其中模糊/01的参数可以根据穿戴
者情况的不同进行调节' 因此本文在建模&仿真和分
析的过程中未将不同佩戴者的这一因素放入其中'
#'下肢康复机器人模型
模型建立 #G#'21234
21234 具有很强大的动力学分析功能$但是并不
导致响应速度变慢' 而外骨骼机器人的输入驱动信息
都是平滑的曲线$很少出现大幅度的跳跃$且步态角度
误差9也不是很大$为了加快响应速度$所以没有使用
微分先行/01控制'
增量式/01控制算法是一种递推算法$输出控
制量增量$并无积分作用' 而本外骨骼机器人需要连
续改变机构位置$时刻适应人体姿态$就需要对之前的
*!!*
测控技术

一种多功能下肢外骨骼机器人的设计与仿真分析

一种多功能下肢外骨骼机器人的设计与仿真分析贾丙琪毕文龙魏笑徐国鑫赵彦峻孙一栋（山东理工大学机械工程学院，山东淄博255049）摘要针对老年人以及下肢运动障碍患者的康复训练和运动代步的需求，设计了一种多功能下肢外骨骼机器人，利用辅助起立机构和腿部外骨骼实现对使用者下肢的康复训练。

分别了建立外骨骼机器人单腿支撑阶段和双腿支撑阶段5杆模型，采用拉格朗日方法推导出动力学模型，计算各关节所需的理论力矩；建立虚拟样机模型进行动力学仿真，仿真数据与理论数据进行比较，验证了理论推导的准确性和外骨骼机器人设计的合理性，为后续电机选型提供了依据。

关键词下肢外骨骼结构设计动力学计算仿真分析Design and Simulation Analysis of Multi-purpose Lower Limb Exoskeleton Robot Jia Bingqi Bi Wenlong Wei Xiao Xu Guoxin Zhao Yanjun Sun Yidong（School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo255049，China）Abstract Aiming at the needs of rehabilitation training and movement substitution for the elderly and pa⁃tients with lower limb movement disorders，a multi-purpose lower limb exoskeleton robot is designed，which utilizes auxiliary standing mechanism and exoskeleton to realize the rehabilitation training of lower limbs for us⁃ers.Five-bar models of the one-leg support stage and the two-leg support stage of the exoskeleton robot are es⁃tablished，and the dynamics model is deduced by Lagrange method to deduce the theoretical moments required for each joint.A virtual prototype model is established to carry out dynamics simulation，and the simulation data is compared with the theoretical data to verify the rationality of the design of the exoskeleton robot with the accu⁃racy of the theoretical deduction，which provides a theoretical basis for motor selection.Key words Lower limb exoskeleton Structure design Dynamics calculation Simulation analysis0引言我国老龄化进程持续加快，老年人脑血管疾病的术后康复问题引起更多人的关注。

下肢康复机器人的设计与仿真分析

Ａｄｅｓｉｇｎｏｆａｒｏｂｏｔｆｏｒｌｏｗｅｒｌｉｍｂｓｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ
ＷａｎｇＹｏｎｇ，ＺｈａｎｇＹｉｎｇ，ＬｉｕＺｈｅｎｇｓｈｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
和结构要求，下面运用分析软件ＡＤＡＭＳ对椭圆轨迹的水平方向和垂直方向位移进行仿真．考虑到偏瘫患者在恢复阶段不宜做大幅度运动，通过软件仿真优选了１组四杆机构参数，得到该机构某点的运动轨迹，该轨迹基本符合设计的要求．
开发了一款可用于下肢康复训练的康复机器人，借助三维软件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ和分析软件ＡＤＡＭＳ对康复机构进行了建模和仿真．得到了此款康复器能够实现符合要求的类似椭圆轨迹；椭圆轨迹２个方向的幅度符合患者的要求；且运动中下肢的运动角度符合要求．基于上述的分析结果，考虑工艺、材料、负重的影响制造了样机，其医学依据在进一步的探讨中．
动力源采用的是直流电机，其运动方式为单向整周转动，现要实现椭圆轨迹运动，故考虑采用直流电机带动曲柄连杆机构作为下肢康复锻炼的机构，再从曲柄连杆机构上寻找一点来实现椭圆轨迹，如图１．
的长度．所以本文使用三维软件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ并结合图谱法确定脚部机构位置（如图２），Ｄ点固定在椅子上，Ａ点固定在由椅子延伸出的外伸架上，Ｂ点铰接在圆盘上，Ｅ点是患者放脚的脚蹬．考虑

下肢外骨骼机器人动力学分析及设计

下肢外骨骼机器人动力学分析及设计下肢外骨骼机器人是一种可穿戴的机器人装置，用于协助、增强下肢功能。

它可以帮助行动有困难的人恢复行走能力，并减少肌肉疲劳，预防康复训练中的二次损伤。

下肢外骨骼机器人的设计需要考虑动力学分析，以确保装置能够提供合适的力学支持和协助运动，本文将从动力学分析和设计两个方面进行详细介绍。

首先，动力学分析是下肢外骨骼机器人设计的重要一环。

在运动学分析的基础上，动力学分析主要包括对关节力矩、关节角加速度、节段质量和重心位置等参数的计算和优化。

通过动力学分析，可以确定下肢外骨骼机器人在不同动作状态下所需的力矩和力量，从而为后续的机械设计提供参数参考。

其次，下肢外骨骼机器人的设计需要考虑机械结构、驱动系统和传感器系统等方面。

机械结构设计需要根据人体运动学原理，确定骨骼装置的连接方式、关节设计和腿部外壳材料等，以确保其具备符合人体工学要求的功能和舒适度。

驱动系统设计中需要考虑驱动电机的选择和布局，以及驱动传动装置的设计，以确保机器人能够提供合适的力量和速度。

传感器系统设计中需要考虑使用压力传感器、角度传感器和力传感器等多种传感器，以获取人体运动状态和力矩变化，进一步改善驱动系统的性能。

此外，下肢外骨骼机器人的控制策略也是设计的重要一环。

控制策略应该根据动力学分析的结果，结合传感器获得的数据，实现合适的力量输出和动作控制，提供舒适的运动支持。

常见的控制策略包括基于位置、力矩和运动感知的控制方法，可以根据具体需求进行选择。

同时，控制系统还需要考虑实时性和稳定性，以提供适应性的支持。

总结起来，下肢外骨骼机器人的设计需要从动力学分析和设计两个方面综合考虑。

动力学分析可以提供关节力矩、关节角加速度、节段质量和重心位置等参数参考；设计方面需要考虑机械结构、驱动系统和传感器系统等要素，以提供合适的力学支持和动作控制。

通过综合考虑这些因素，可以设计出性能优异、舒适可靠的下肢外骨骼机器人，为行动不便的人群提供有效的康复支持。

下肢康复外骨骼机器人设计与性能分析

下肢康复外骨骼机器人设计与性能分析目录一、内容概述 (2)1.1 研究背景 (3)1.2 研究目的与意义 (4)1.3 国内外研究现状及发展趋势 (5)二、下肢康复外骨骼机器人的设计原理 (6)2.1 外骨骼机器人的基本结构 (8)2.2 动力系统设计 (9)2.3 控制系统设计 (10)2.4 传感器及其融合技术 (12)2.5 人机交互与控制系统设计 (13)三、下肢康复外骨骼机器人的性能分析 (14)3.1 功能性评价指标 (16)3.1.1 平衡性能 (17)3.1.2 协调性能 (19)3.1.3 敏捷性能 (20)3.2 结构性能评价指标 (21)3.2.1 结构强度与刚度 (23)3.2.2 重量与功耗 (24)3.2.3 结构可拆卸性 (25)3.3 控制性能评价指标 (26)3.3.1 控制精度 (27)3.3.2 反馈速度 (28)3.3.3 自主学习能力 (29)四、下肢康复外骨骼机器人的实验测试与分析 (31)4.1 实验条件与方法 (32)4.2 实验结果与分析 (33)4.2.1 功能性测试结果 (34)4.2.2 结构性能测试结果 (36)4.2.3 控制性能测试结果 (36)五、结论与展望 (38)5.1 研究成果总结 (39)5.2 存在问题与不足 (40)5.3 后续研究方向与展望 (41)一、内容概述“下肢康复外骨骼机器人设计与性能分析”文档旨在全面介绍下肢康复外骨骼机器人的设计过程及其性能分析。

本段落将简要概括文档的主要内容和结构。

文档将介绍下肢康复外骨骼机器人的研究背景和意义，随着医疗技术的不断进步和康复需求的日益增长，外骨骼机器人在康复治疗中的应用逐渐受到重视。

下肢康复外骨骼机器人作为一种辅助设备，能够帮助患者进行行走、站立等动作的训练，提高康复效果。

文档将阐述下肢康复外骨骼机器人的设计原理与流程，这包括机器人的结构设计、控制系统设计以及人机交互设计等方面。