刚柔混联下肢康复机器人绳索力优化及柔顺性控制研究
柔性下肢步态康复训练机器人人机共融理论研究
柔性下肢步态康复训练机器人人机共融理论研究柔性下肢步态康复训练机器人人机共融理论研究近年来，柔性下肢步态康复训练机器人在康复领域中得到广泛关注。
这一类机器人的研究旨在解决下肢运动功能受损的患者面临的步行障碍问题，提供有效的步态康复训练手段，恢复患者的行走能力和日常生活自理能力。
而在机器人技术的发展中，人机共融理论的提出进一步加强了下肢步态康复训练机器人的功能和可操作性。
柔性下肢步态康复训练机器人是运用机器人技术与康复理论相结合的产物，其设计初衷是为了辅助和加速患者的康复进程。
这类机器人灵活性高，可根据患者个体的特点进行个性化的训练程序设计，从而最大程度地提高康复效果。
同时，柔性下肢步态康复训练机器人具有全方位的检测和反馈功能，可监测患者的运动轨迹、肌力状况和姿势控制等指标，为康复师提供数据支持，从而有效调整训练方案。
然而，在实际使用中，柔性下肢步态康复训练机器人在操作性和适应性上仍存在一定的挑战。
为了更好地解决这些问题，人机共融理论应运而生。
人机共融理论将人的认知、感知和决策能力与机器人的执行能力相结合，实现人与机器人的高效协作。
通过人机共融，柔性下肢步态康复训练机器人可以更加智能地进行个性化训练，根据患者的反馈和需求进行动态调整，提高康复训练的准确性和效率。
具体来说，人机共融理论在柔性下肢步态康复训练机器人中的应用包括四个方面：感知、决策、执行和自适应。
首先，通过感知技术，机器人可以实时获取患者的运动信息和身体状况等数据，并进行分析和处理。
这一步骤为机器人提供了以人为中心的感知能力，使其能够根据患者的状态作出相应的决策。
其次，通过决策算法，机器人可以根据患者的需求和康复目标，制定出合理的训练计划和动作指令。
这一步骤为机器人提供了适应性和个性化训练的能力。
然后，通过执行技术，机器人可以根据决策结果执行相应的动作，并实时监测和调整训练过程。
最后，通过自适应控制，机器人可以根据患者的反馈进行动态调整，从而实现更加精确的康复训练。
0423绳牵引康复机器人设计及其控制算法研究
Abstract
Stroke is a leading cause of permanent disability in China, USA and other countries. Two thirds of the stroke patients have unilateral movement disorder, which is known as hemiplegia. Hemiplegia seriously affects the patients’ daily life, and brings heav y economic burden to the countries and families. Traditional rehabilitation therapy is carried out by rehabilitation therapist in person-to-person mode, and this method can improve the movement function of patients, but there are many disadvantages, the rehabilitation therapist cannot carry out the rehabilitation therapy in a long time, the treatment effect is affected by therapist's technology, the rehabilitation therapy costs human’s labor. Robot system has the characteristics of exact controllability and tireless, which make the robot system suitable for rehabilitation training. Rehabilitation robots can provide rehabilitation training efficiently, compensate for the disadvantages of traditional rehabilitation therapy and meet the social requirement of rehabilitation. In consideration of human’s physiological parameters and design requirements of rehabilitation robot, this study designed a cable-based upper limb rehabilitation robot. Firstly, mechanical structure of the cable-based robot was built, including the cubic static platform, moving platform and cable-based traction device. Secondly, hardware system was designed, including signal acquisition and motion control system. The signal acquisition system consisted of EMG filter, amplifier, motion capture system and tensile force sensors. The home-made EMG filter and amplifier has a high signal-to-noise ratio. The tensile force
绳索牵引康复机器人运动误差及仿真分析
第29卷第11期哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 V o.l 29 .112008年11月Jour nal ofH arb i n Eng ineeri n g Un iversity N ov .2008绳索牵引康复机器人运动误差及仿真分析王克义,郭 钽,张立勋,刘 攀,徐生林(哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:绳索牵引康复训练机器人具有柔顺性好的特性,满足人与机器人在同一物理空间时安全性的要求.通过绳索牵引控制骨盆的运动规律,使其与下肢步态运动相协调,同时提高受训者稳定能力.为满足训练效果,需保证骨盆运动精度,由此分析了绳索牵引康复机器人影响骨盆运动精度的因素,即绳索本身的弹性和绳索过轮的半径.依建立的绳索牵引康复机器人模型,得到绳索拉力的表达式,导出系统正逆运动学和动力学方程.分析了在弹性范围内绳索具有的拉伸刚度,明确其对骨盆运动精度的影响;通过不同位置时绳索变化量的方法证明了绳索过轮半径对骨盆运动精度的影响.利用M ATLA B 的建模仿真,分析了2个因素对骨盆运动精度的不同影响规律,提出了改进方法,得出减重外力对垂直轴加速度误差的影响.该分析为骨盆的控制做准备,同时具有普遍性,可为其他绳索牵引系统提供参考作用.关键词:绳索牵引;位置误差;康复机器人;骨盆运动中图分类号:T P242.3 文献标识码:A 文章编号:1006 7043(2008)11 1210 06The si m ulation and move m ent errors analysis of w ire dri venre habilit ative robotsWANG Ke y,i GUO Tan ,Z HANG L i xun ,L I U Pan ,XU Sheng lin(Co llege o fM echanical and E lectr i ca l Eng i neer i ng ,H arbi n Eng i neering U nivrsity ,H arb i n 150001,Chi na )Abst ract :W ire dri v en rehabilitati v e robo ts have good co m pliance and m ee t safety requ ire m ents i n m an m ach i n e cooperati o n syste m s .Thr ough w ire traction contro,l pelv ic m otion is coord i n ated w ith the m ove m ent of the lo w er ga i,t i m pr ov i n g t h e robo tic tra i n ers 'stab ility .To effectively pr oduce t h e tra i n i n g effec,t the syste m needs to ensure accu racy o f pe l v is m ove m en.t So the factors affecti n g t h e m otion accuracy w ere ana l y zed ,i n c l u d i n g w ire e lasticity and t h e rad i u s ofw ire across w hee.l A ccordi n g to the w ire driven rehabilitative r obo tm ode,l the expression ofw ire ten si o n w as bu ilt up ,bo th the for w ard and i n verse kine m atics and dyna m ics equati o ns w ere derived .The i n fl u ence of w ire tensile stiffness on the accuracy o f m ove m ent of the pelv is w as ana l y zed .The i n fluence of t h e w ire acr oss w heel radius on t h e m ove m ent accuracy of t h e pe l v is w as sho wn thr ough w ire changes i n vari o us positions usi n g MATLAB m odeli n g si m ulati o n .Tw o facto rs t h at affect the m oti o n accuracy w ere ana l y zed and the correspondi n g m ethod for i m pr ov i n g t h e accuracy w as proposed.Itw as found that the acce leration err or on the vertica l ax is is i n fl u enced by the outsi d e force .The analysis g ives an eng i n eeri n g basis for contro l and is universally applicable to other w ire dri v en syste m s .K eywords :w ire driven ;m ove m ent error ;rehabilitati v e robo ;t pe l v is m ove m ent 收稿日期:2007 10 31.基金项目:国家自然科学基金资助项目(60575053);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20060217024).作者简介:王克义(1979 ),男,讲师,博士研究生,E m ai:l w angkey i @ .cn;张立勋(1962 ),男,教授,博士生导师.由于医学、生理学、生物学的进步和机械学、信息论、控制论等工程技术的发展,人们对人体生命系统的研究进入一个新的发展阶段.同时随着物质生活水平的提高,人们对康复医疗设备提出了更高的要求.综上产生了一种人机合作系统-康复训练机器人,它能够克服人类由各种因素导致的功能障碍或残疾,使其最大程度地恢复或代偿原有功能,实现最大限度的生活自理,提高生活质量.基于绳索牵引的康复机器人有柔顺性好、占空间小、重量轻等特点,不会与人体产生刚性碰撞、冲击,非常适合于康复机器人的驱动控制.下肢康复训练过程中,控制骨盆的运动规律使其与步态运动相协调,符合正常人步态运动的身体姿态,从而将达到更好的训练效果,同时实现减重作用,克服部分受训者无法对自身躯干的支撑能力.有关绳索牵引方面的工作从20世纪90年代初至今许多国家在开展研究,并取得了一批研究成果[1].近几年来,我国华侨大学和西安电子科技大学对绳索牵引并联机构理论进行了研究,并进行了尝试性的应用[2 3].文献[2]对6自由度绳索牵引并联机构进行了轨迹规划分析,研究绳的运动特性,提出的绳拉力计算方法;文献[4]进行了运动规划,包括优化的路径规划和轨迹规划,主要侧重研究了通过建立基于动力学模型的工作空间条件来获得绳索拉力优化问题的解析解.上述仅是从理论出发,并没有考虑实际系统中绳索弹性和绳索过轮的影响,该文将以绳索牵引康复机器人的控制轨迹为需要[5],分析绳索弹性和过轮半径对骨盆运动的影响.1 骨盆矢状面内运动控制模型人在正常直立行走过程中,骨盆的运动形式有沿矢状轴、冠状轴、垂直轴的移动和绕垂直轴的转动,即1R3T 类型自由度[5],其中有关沿矢状轴、冠状轴的移动和绕垂直轴的转动可以通过水平面绳索来牵引;沿垂直轴的移动可通过矢状面内在受训者前后布置2根绳索来实现,如图1所示.以此能够较好地实现近似1R3T 自由度类型,其中矢状面内沿矢状轴的移动自由度与水平面内沿矢状轴的移动自由度是冗余的.图1矢状面内绳索牵引布置图F i g .1T he w ire driven i n sag ittal plane图1中固定坐标系为oxy ,骨盆坐标系为PP x P y ,B i (i =1、2)为过轮的中心点,P 为绳与骨盆的球铰链的中心.L i =PB i ,l i = L i ,u i =L i /l i ,t i 为第i 根绳所受的拉力[6 7],显然作用到骨盆的力为T i =t i u i ,如受训者质量为m,沿矢状轴和垂直轴的运动加速度为a x 和a y ,减重力为F,由动力学平衡方程可得[m a x F +m a y ]T=[u 1 u 2]![t 1 t 2]T(1)当已知骨盆所处具体位置及绳索牵引拉力,由方程(1)便可求解骨盆运行的加速度.通过已知骨盆的位置求解绳索的长度,为轨迹规划、位置误差分析做准备.参考图1,已知B i 位置B 1(-a,0)、B 1(a,0)和骨盆位置P (x,y ),由两点间距离可得l 1=(x +a)2+y 2,(2)l 2=(x -a)2+y 2(3)绳索长度,即逆运动学方程.由骨盆的运动状态求解绳索的拉力,参考方程(1)可得[t 1 t 2]T=[u 1 u 2]-1![m a x F +m a y ]T=x +a l 1x -al 2y l 1y l 2![m x F +m y ]T(4)即逆动力学方程.当给定绳索长度,求解骨盆所处位置,以实现对骨盆的位置控制.对式(2)、(3)联立求解,并考虑实际的骨盆工作空间,省略值为正的解,得x =l 21-l 224a,(5) y =-8a 2l 21+8a 2l 22+2l 21l 22-l 41-l 42-16a44a(6)即正运动学方程.求解微分方程(4)可得正动力学方程(由于过于复杂未列出),其中有由初始条件确定的常数,说明骨盆的初始位置和速度决定了骨盆的运动轨迹,所以骨盆位置标定至关重要.2 绳索牵引系统运动误差分析骨盆的运动控制是通过∀2#套绳索牵引来实现的[5],其中水平面内由4根绳索牵引,构成完全约束定位机构(co m pletely restrained position i n g m echa nis m s ,CRP M s),该机构是冗余驱动,引入了过约束,其进行运动控制时必须采用力/位置混合控制策略,此时绳索长度变化量误差将引起力的变化,而该变化试图减小骨盆运动误差,由此出现运动和力的波动,并不是绳长变化直接影响骨盆运动精度;而矢状面内由2根绳索牵引,属于不完全约束定位机构(i n co m pletely restra i n ed position i n g m echanis m s ,I R P M s),其必需在重力的作用下实现运动控制,并不是力冗余系统,采用直接位置控制时,绳索长度的变化量误差将直接影响骨盆运动精度.综上,以矢状面内绳索牵引为研究对象,分析影响运动精度的各个因素.!1211!第11期 王克义,等:绳索牵引康复机器人运动误差及仿真分析2.1 绳索弹性变形影响认为矢状面内的绳索在整个牵引过程中都工作在线弹性范围内,绳索在轴向拉力作用下,虽会引起轴向尺寸的增大和横向尺寸的缩小,但后者影响较小,可忽略.设绳索的原长度为l ,横截面面积为A.在轴向拉力P 作用下,长度由l 变为l 1.根据应力与应变成正比的关系可推导出如下关系式:=l 1-l l(7)由广义胡克定律可知应力与应变成正比,即=P A=E ! .(8)式中,E 为弹性模量.由式(7)、(8)可得绳索的拉伸刚度为K =EA l.(9)这样当已知绳索所受拉力便可求出其伸缩变形,由于所用绳索柔软,暂不考虑剪切刚度、扭转刚度和弯曲刚度.从式(9)可以看出刚度是变化的,取决于绳索的长度,而该长度由于骨盆所处的期望位置决定;绳索拉力的大小也同样取决于骨盆所处的期望运动状态,从而绳索弹性变化量是复杂的.2.2 过轮半径影响在一般有关绳索文献中都是将过轮认为是一个中心点进行理论分析的,而实际过轮半径对骨盆运动是有影响的[8],现举例说明该影响,如图2所示.图2绳索过轮半径对位置影响F i g.2T he i nfl uence o fw hee l rad i us on positi on令过轮中心点B i (0,0),半径为r ,骨盆初始位置P 0(x 0,y 0),骨盆运动位置P (x 0,y ).通过分析该过程中理论绳索的变化长度和实际绳索的变化长度,说明过轮的影响.理论绳索初始长度为 l 0=x 20+y 20.(10)运动后绳索长度为l =x 20+y 2.(11)变化量为l = l - l 0.(12)实际绳索初始长度(从相切点算起)为l 0=l 20-r 2.(13)运动后绳索长度为l =l 2-r 2+!!r .(14)其中包角变化量:!=ar ctanx 0y 0+arctan l 0r -arcta n x 0y +arcc os rl实际绳索长度变化为l =l -l 0.(15)从式(12)、(15)可以看出,2绳索的变化量并不相同,并且变化量的差值也不是恒定的.得出过轮半径对运动精度的影响,这种影响骨盆运动精度的非线性因素取决于骨盆所处的期望位置和过轮的半径.3 骨盆运动仿真分析通过仿真分析绳索弹性和过轮半径对骨盆运动精度的影响,判断骨盆所处不同位置时,上述2影响因素的变化情况.仿真系统如图3所示.图3仿真模型结构图F i g .3T he m echan ica l fram e o f si m ulation model骨盆P 初始位置时,设其在固定坐标系原点,过轮位置为B 1(-75,100)、B 2(75,100),绞盘位置为C 1(-75,-100)、C 2(75,-100);以身高为176c m 、体重为70kg 的受训者0.5m /s 速度在跑步机上做步态运动,减重为60kg ,考虑到骨盆沿矢状轴存在窜动,其矢状面内描述方程如下[9]:X =15s i n (4∀#!t-∀2)Y =10si n (4∀#!t)式中:X 表示沿矢状轴位移;Y 表示沿垂直轴位移;#为步行频率,取0.35H z .该轨迹为期望轨迹,依此判!1212!哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第29卷断绳索弹性和过轮半径对骨盆运动的影响.3.1 绳索弹性影响仿真在绳索牵引康复机器人中,选择柔软、轻质、高强度、抗老化的航空钢丝绳作为牵引绳索,其满足不考虑剪切刚度、扭转刚度和弯曲刚度的条件.选择的航空钢丝绳型号为M I L W 83420D,直径0.12c m,弹性模量为206GPa .通过M atlab 的M 函数进行建模仿真,得到骨盆理论运动轨迹和实际运动轨迹,如图4所示.图4考虑绳索弹性骨盆运动轨迹F i g .4Pe l v is tra j ecto ry i n consi dera ti on elasticdefor m a tion o f w ire从图4中可以看出,实际骨盆运动轨迹比理想运动轨迹下移,同时,其长轴也比理想运动轨迹的要大,这原因于骨盆所处不同位置时绳索在重力和惯性力的影响下发生了非线性伸长变形,致使影响了骨盆运动精度,椭圆上半部分影响较小,而下半部分影响较大.为分析骨盆所处不同位置时,骨盆的运动误差情况及原因,仿真其随时间的变换规律,如图5~7所示.图5考虑绳索弹性骨盆轨迹误差变化规律F ig .5P elv i s tra jectory error i n consi dera ti on o f w iree l asti c defor m ation骨盆运动轨迹误差是非线性变化的,最小点发生在大约0.36s 时,即骨盆运动到(0,10)位置处,与图4所示相一致,此时2个方向上的加速度误差也相对较小,说明该位置绳索牵引力最小;而下半部分位置误差较大且相对较均匀,说明绳索拉力相对较大且变化较小;沿矢状轴加速度误差成正负周期性变化,沿垂直轴的加速度误差均为正且具有较大波动,由此说明绳索弹性变形对骨盆加速度有影响,得出沿垂直轴方向的外力对该方向加速度误差的变化有影响.综上仿真分析可知,绳索弹性对I RP M s 型绳索牵引系统的运动轨迹和运动加速度都有非线性影响,分别取绳索直径为0.06、0.12和0.18c m 进行骨盆运动误差仿真,判断该因素的影响规律,如图8所示.图6考虑绳索弹性矢状轴加速度误差变化规律F i g .6A ccelerati on error on sag ittal ax i s i n considerationo fw ire e lastic de f o r m ati on图7考虑绳索弹性垂直轴加速度误差变化规律F ig .7A cce lera ti on error on verti ca l ax is i n consi derati onof w ire e l astic defor m a tion图8不同直径绳索对骨盆轨迹误差变化规律F i g .8P elv is tra jectory erro r i n consi derati on of differentw ire d ia m eter!1213!第11期 王克义,等:绳索牵引康复机器人运动误差及仿真分析可以看出,3条曲线趋势相同,但弹性较大者不仅整体误差较大,而且误差的波动也较大.因此为减小该误差的影响,可以采用大弹性模量的绳索或增大绳索直径的方法来实现.3.2 过轮半径影响仿真参考图3所示康复训练机器人系统,考虑过轮半径时可以建立系统的逆运动学模型,但由于逆运动学存在非线性(从式14中可以看出),无法通过它求解出正运动学解析解.所以在此通过期望骨盆位置求出实际绳索长度,将其代入理论正运动学模型(4)、(5)中,从而判断实际情况与理论之间的差异.设过轮半径为4c m ,通过M atlab 的M 函数进行建模仿真,得到理论运动轨迹和实际运动轨迹,如图9所示.图9考虑过轮半径骨盆仿真轨迹F ig .9P elv i s tra j ec t o ry in consi derati on of whee l radius从图9中可以看出,骨盆实际运动轨迹与理论运动轨迹相比长轴变长,短轴变短,其性质与绳索弹性影响性质不同,原因在于过轮包角变换量!对绳索长度变化影响可正可负:骨盆在(0,10)处,绳长变化为正;骨盆在(0,-10)处,绳长变化为负.为了反映骨盆所处不同位置时,骨盆的运动误差情况,仿真其随时间的变换规律,如图10~12所示.图10考虑过轮半径骨盆轨迹误差变化规律F i g .10P elv i s tra jectory erro r i n consi dera ti on o fwhee l radius图11考虑过轮半径矢状轴加速度误差变化规律F i g .11A cce l e ration error on sag itta l ax is i n cons i dera tiono f wheel radius图12考虑过轮半径垂直轴加速度误差变化规律F i g.12A ccelerati on erro r on vertica l ax i s i n consi derati onof whee l rad i us可以看出,骨盆运动轨迹误差也是非线性变化的.当骨盆处于(-15,0)和(15,0)位置时,其运动轨迹误差相等且最大,此时相对理论绳长其中1根绳索长度变长,另1根变短;而骨盆处于(0,10)和(0,-10)位置时,其运动轨迹误差都很小,其中包角变化量影响绳长变化趋势一致,相比后者影响最小.沿矢状轴加速度误差基本成正负周期性变化,与绳索弹性引起的加速度误差相反,沿垂直轴的加速度误差均为正的较大值且具有较大波动,与绳索弹性引起的加速度误差趋势相同,也说明沿垂直轴方向的外力对加速度误差具有一定的影响.综上仿真分析可知,过轮半径对I R P M s 型绳索牵引系统的运动轨迹和运动加速度存在非线性影响,分别取过轮半径为2、4和8c m 进行骨盆位置误差仿真,判断该因素的影响规律,如图13所示.可以看出,3条曲线趋势相同,但过轮半径较大者不仅整体误差较大,而且误差的波动也较大.为减小该误差的影响,可以采用较小半径的过轮.!1214!哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第29卷图13不同半径过轮对骨盆轨迹误差变化规律F i g.13P elv i s tra j ec t o ry e rror i n cons i de ra tion o f differentw hee l rad i us通过对2影响因素的仿真分析可知,它们对骨盆运动都有一定的影响,对矢状轴加速度误差影响效果基本相反,彼此可以相互抵消一部分,从而能够提高控制效果;而在垂直轴加速度误差中绳索弹性影响比过轮半径影响小的多,该加速度误差对康复效果影响相对较小,原因于减重力的大小可以存在一定的变化,其与加速度误差可以相互协调.4 结束语在正逆运动学和动力学方程的基础上,分析得出绳索弹性和过轮半径对绳索牵引骨盆运动康复训练机器人的运动控制具有非线性影响,针对步态训练过程中骨盆的期望运动轨迹进行仿真,得出2个因素对骨盆运动误差的影响规律.绳索直径越大、过轮半径越小,他们对骨盆运动位置误差影响越小,且误差波动越小;相反,不仅对骨盆运动位置误差影响越大,而且误差波动也很大,并分析了该规律变化原因.同时还得出,外力影响绳索弹性和过轮半径对骨盆运动状态的影响.当选择较大直径的绳索和较小半径的过轮时,针对康复机器人系统而言可以满足误差要求.对于要求高精度的I R P M s型绳索牵引系统,绳索弹性和过轮半径对运动的影响将是不可忽略的,该分析方法和结论对此分析具有一定的参考性.参考文献:[1]LAFOU RCADE P,LL IBRE M,REB OULET C.D esi gn o f aparall e l w ire dr i ven m an i pu l a tor for w i nd tunne l s[C]// P roceedi ngs of the W orks hop on F unda m enta l Issues and Future D irecti on for P arall e lM echan i s m s and M an i pulators.Quebec C it y,Q uebec,2002:187 194.[2]郑亚青,刘雄伟.6自由度绳牵引并联机构的运动轨迹规划[J].机械工程学报,2005,41(2):77 81.ZHENG Y aq i ng,L I U X iongwe.i M o tion trajectory planning of6 DO F w ire driven para llel ki ne m a tic m an i pul[J].Chi nese Journal of M echanical Eng i neeri ng,2005,41(2):7781.[3]汤奥斐,仇原鹰,段宝岩,等.一种柔索并联机器人的刚度解析[J].中国机械工程,2006,17(增刊):345 349.TANG A o fe,i Q I U Y uany i ng,DUAN B aoyan,e t a.l A nalysis of the stiffness o f a w ire dr i ven parall e l robot[J].Ch i na M e chanical Eng i nee ri ng,2006,17(supp l):345 349.[4]FANG S Q,FRAN ITZA D,VERHOEV E N R,e t a.l O ptimu mm o tionplann i ng forte ndon baseds tewa rt p l atfor m s[C]//P ro ceedi ngs o f t he11t h W o rl d Cong ress 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1R2T绳索牵引并联康复机器人绳索弹性研究
动 力 学仿 真 和 实验 ， 果表 明 ， 索的 弹性使 骨 盆 的 实际运 动 范 围变 小 ， 出现 了位 姿误 差 ， 结 绳 且 距
起 始点越 远 该误 差越 大 。
关 键词 ： 索 牵引 ； 绳 弹性 ； 平 台 ； 动 康复机 器人 ； 态刚度 ； 力 学 静 动 中图分 类号 ：Ｐ２ ２ ３ Ｔ ７ Ｔ ４ ． ；Ｐ２ ３ 文章 编 号 ：０ ５— ８０ ２ １ ） ５— ６ ２— ６ １０ ９ ３ （ ０ ０ ０ ０ ０ ０
ｔ ｎ ｏ ｔｉ ｉ ｇ ｔ ｅ ｗ ｒ ｌｓｉｉ ｒ ｕ ｌ ａ ｄ ｕ ｅ ｏ ｃ ｃ ｌｔ ｈ ｙ ｔ ｍ ｐ ｔ ｉｃｕ ｉｇ ｔ ｅ ｗ ｒ ｉ ｓｃ ｎ ａｎ ｎ ｈ ｅ ｅａ ｔ ｔ ａｅ ｂ ｉ ｎ ｓ ｄ ｔ ａ ｕ ａｅ ｔ ｅ ｓ ｓ ｏ ｉ ｃｙ ｔ ｌ ｅ ｉ ｕ ｓ ｎ ｌｄ ｎ ｉ ｎ ｈ ｅ
性 对 系统静 态刚度 的影响 比绳 索拉 力大 。分 析 并仿 真 了 系统受 外界 干扰 后 的振动 状 态 ， 果表 结 明 ， 大绳 索拉 力可 以提 高 系统 的抗 干扰 性 。建 立 了考 虑 绳 索 弹性 的 动 力 学方程 ， 增 以期 望轨 迹
通过逆 动 力学方程 计 算 出的绳 索拉 力作 为 系统动 力 学的输入 ， Ａ Ａ 用 Ｄ ＭＳ和 ＭＡ Ｌ Ｂ进 行 系统 ＴＡ
（ ． ｏ ｅｅｏ ｃ ａｉａ ａｄＥｅ ｔｃ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ １ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｌ Ｍｅｈ ｎｃｌ ｎ ｌ ｒ ａ Ｅ ｇ ｅ ｎ ； ｃ ｉ ｎ ｉ ２ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｕｏ ａ ｏ ， ｒｉ Ｅ ｇ ｅｒ ｇＵ ｉ ｒｉ ， ａｂｎ１ ０ ９ ，Ｃ ｉａ ． ｏ ｅｅｏ ｔｍ ｔ ｎ Ｈａｂ ｎｉ ｅｉ ｎｖ ｓｙ Ｈ ｒｉ ５ ０ ０ ｈｎ ） ｌ Ａ ｉ ｎ ｎ ｎ ｅ ｔ Ａ ｓ ａｔ Ｂ ｓｄｏ ｅ３Ｄ Ｆ １ ２ ｐ ） ｉ —ｒ ｅ ｌ ｅｓｓ ｍ ｏ ｅｐ ａｌ ｈｂｌａ ｏ － ｂｔ ｃ ： ａｅ ｎｔ 一 Ｏ （ Ｔｔ ｅ ｗ ｒ ｄ ｖｎｐａ ｙｔ ｆ ｈ ａ ｌ ｌ ｅａ ｉｔ ｉ ｒ ｒ ｈ Ｒ ｙ ｅ ｉ ｎ ｅ ｔ ｒ ｅｒ ｉｔｎ ｏ
绳牵引并联机器人的力学分析与性能优化
通过对绳牵引并联机器人的力学性能进行分析，可以深入了解其运动规律和负载能力，为机器人的设计和应用 提供理论支持。同时，通过对机器人的性能进行优化，可以提高其工作效率、稳定性和精度，进一步拓展其应 用范围。
研究现状与发展
现状
目前，国内外对绳牵引并联机器人的研究主要集中在机构的 力学建模、运动控制、稳定性分析等方面。其中，一些研究 关注了绳牵引并联机器人的刚度、承载能力、运动精度等性 能指标，并取得了一定的研究成果。
实验原理
基于并联机器人的机构学原理和绳牵引驱动方式，对机器人进行力学 建模和性能分析。通过实验测试，验证模型的准确性和性能的优化程 度。
实验步骤
设计并制造了绳牵引并联机器人样机；通过实验测试了机器人的运动 性能指标，如速度、加速度、轨迹精度等；对实验数据进行了分析和 处理，以评估机器人的力学特性和性能表现。
绳牵引并联机器人的应用领域
航空航天领域
用于飞机、火箭、卫星等精密部件的制造 和维修。
汽车制造领域
用于汽车生产线上的装配、焊接、喷涂等 环节。
电子制造领域
用于电子产品的装配、检测、搬运等工作 。
03
力学分析
静力学分析
01
02
03
平衡状态
分析机器人在不同状态下 的受力情况，确定平衡状 态下各部件的受力情况。
特点
绳牵引并联机器人具有结构简单、刚度大、承载能力强、运动精度高等优点 。此外，它们通常具有较小的占地面积，可以在狭小的空间内工作。
绳牵引并联机器人的工作原理
基于牛顿第二定律和欧拉公式，对机器人的动力学行为进行分析。通过分析，可 以得出机器人各部件的运动规律和受力情况。
通过计算机仿真技术，对机器人的运动轨迹和性能进行预测和优化。这种方法可 以减少实验次数，缩短研发周期，降低研发成本。
柔索牵引并联机器人力学分析及稳定性评价
柔索牵引并联机器人力学分析及稳定性评价柔索牵引并联机器人力学分析及稳定性评价摘要：柔索牵引并联机器人是一种新型的机器人结构，其具有轻质化、高运动精度和较大的工作空间等优势。
本文针对柔索牵引并联机器人的力学分析及稳定性进行研究，通过对机器人的静力学分析和动力学分析，建立了其力学模型，并对其稳定性进行了评价。
一、引言柔索牵引并联机器人是一种由柔性索条和刚性连杆构成的机器人结构，其柔性索条通过承受外部引力或扭矩的作用，来达到机器人运动和姿态控制的目的。
与传统的刚性连杆机器人相比，柔索牵引并联机器人具有结构轻量化、结构简单化以及运动精度高等特点。
二、柔索牵引并联机器人的力学模型1. 机构结构柔索牵引并联机器人由柔性索条和刚性连杆组成。
柔性索条连接刚性连杆，并通过张力来限制柔性索条的形变。
刚性连杆与工作平台相连，通过控制柔性索条的形变来实现机器人的运动。
2. 静力学分析静力学分析主要是通过对机器人在特定位置进行力学分析，确定各连杆受力情况。
首先，通过建立机器人的几何约束方程，得到各连杆的运动学方程。
然后，根据连杆的运动学方程和外部作用力，可以得到连杆的静力学方程。
通过求解静力学方程，可以计算出连杆受力情况。
3. 动力学分析动力学分析主要是通过对机器人在运动中的力学分析，确定各连杆的加速度和惯性力。
首先，通过建立机器人的运动学方程，得到各连杆的速度和加速度。
然后，根据连杆的运动学方程和外部作用力，可以得到连杆的动力学方程。
通过求解动力学方程，可以计算出连杆的加速度和惯性力。
三、稳定性评价柔索牵引并联机器人的稳定性评价是指机器人在运动中的平衡能力。
稳定性评价可以通过机器人的动力学分析来进行。
当机器人平衡时，各连杆的加速度和惯性力应该为零。
通过求解动力学方程，可以得到机器人平衡时的加速度和惯性力。
根据计算结果可以评价机器人的稳定性。
四、结论柔索牵引并联机器人的力学分析及稳定性评价是研究该机器人结构的关键。
通过对机器人的静力学分析和动力学分析，可以得到机器人的力学模型，并对其稳定性进行评价。
绳牵引康复机器人的动力学分析与控制_刘攀(1)
根据文献[ 9 ] ,人在正常行走过程中骨盆具有 4 个自由度 (1R3 T) : 沿矢状轴的平动 、沿冠状轴 的平动 、沿垂直轴的平动和沿垂直轴的转动 ,骨盆 的 1R3 T 运动可近似分解为平面 1R2 T 运动和垂 直 1 T 运动 。文献 [ 9 ] 证明了该分解方法的可行 性 。因此 ,笔者设计了一种用于控制患者骨盆平 面运动的绳牵引并联康复机器人 ,其机构简图和 俯视图分别见图 1 和图 2 ,点 A i ( i = 1 ,2 ,3 ,4) 和 点 Pi 在同一个水平面内 。在该机构模型中 , 动平 台人体骨盆由 4 根绳牵引 , 每根绳的另一端分别 通过过轮 (图 1 中未画出) , 与直流力矩电机驱动 的滚轮相连接 。在每根绳中间安装一个力传感器 (图 1 中未画出 ,用于测量绳拉力的大小) ,其采集
关键词 :绳牵引 ;康复机器人 ;力/ 位控制 ;模糊滑模控制 中图分类号 : TP242 文章编号 :1004 —132X(2009) 11 —1335 —05
Dynamics Analysis and Control of Wire - driven Rehabil itative Robot Liu Pan Zhang Lixun Wang Keyi Zhang J inyu Harbin Engineering U niversit y , Harbin , 150001
方程为
m 0 0 ¨x
0 m0
¨y
=
¨ IX =
F
(9)
0 0 J θ¨
绳牵引康复机器人的动力学分析与控制 ———刘 攀 张立勋 王克义等
式中 , I 为骨盆的惯性矩阵 ; ¨X 为骨盆的运动加速度 ; m 和 J 分别为骨盆的质量和转动惯量 。
柔索牵引并联机器人力学分析及稳定性评价
柔索牵引并联机器人力学分析及稳定性评价首先，机器人的运动学分析是指研究机器人各关节位置、速度和加速度之间的关系。
由于柔索传输装置的特殊性，每个绳索上的张力和长度都会影响机器人的运动特性。
因此，需要利用逆运动学方法求解绳索张力和绳索长度与机器人关节位置之间的关系。
其次，机器人的动力学分析是指研究机器人在给定力和动力的作用下的运动规律。
通过牛顿-欧拉等动力学模型，可以推导出机器人各关节的动力学方程，从而计算出各关节的力和力矩。
而在柔索牵引并联机器人中，绳索的张力也会对机器人的动力学特性产生重要影响，需要将绳索张力作为输入量考虑进动力学方程中。
进一步，约束力分析是指研究机器人受到约束时的力学情况。
在柔索牵引并联机器人中，绳索的张力会产生约束力，限制机器人的运动。
通过对绳索张力的分析，可以计算出约束力对机器人的影响，从而进行运动规划和轨迹控制。
最后，柔索牵引并联机器人的输运模型是指研究机器人在柔性绳索的带动下运载物体的模型。
柔索牵引机器人可以利用绳索实现对物体的抓取和搬运，因此需要建立机器人和物体之间的力学模型，用于计算绳索的张力和长度。
柔索牵引并联机器人的稳定性评价包括静态稳定性和动态稳定性。
静态稳定性是指机器人在静止状态下的稳定性分析，主要考虑机器人的平衡和支撑能力。
通过对机器人的力学平衡分析，可以评估机器人的静态稳定性。
动态稳定性是指机器人在运动状态下的稳定性分析，主要考虑机器人的动力和控制能力。
通过对机器人的动力学分析和控制系统设计，可以评估机器人的动态稳定性。
综上所述，柔索牵引并联机器人力学分析和稳定性评价涉及运动学分析、动力学分析、约束力分析和输运模型的建立，并包括静态稳定性和动态稳定性的评估。
这些研究内容对于柔索牵引并联机器人的设计和控制具有重要意义，可以提高机器人的运动性能和工作效率。
刚柔耦合机器人力学特性分析与优化
刚柔耦合机器人力学特性分析与优化机器人力学一直是科学家们研究的热门领域之一，而刚柔耦合机器人则是在传统刚性机器人的基础上，引入了柔性元件，使得机器人在灵活性和精准性方面有了更好的平衡。
本文将从机器人力学特性的角度出发，对刚柔耦合机器人进行分析与优化。
刚柔耦合机器人力学特性的分析是研究刚柔耦合机器人的重要课题之一。
首先，我们需要了解刚柔耦合机器人的基本结构和工作原理。
刚柔耦合机器人一般由刚性链和柔性链组成，刚性链由刚性连接件组成，可以提供刚性运动；柔性链由柔性连接件组成，可以提供柔性运动。
通过刚柔耦合机构的设计，可以将刚性链和柔性链的力学特性相结合，从而提高机器人的适应性和灵活性。
刚柔耦合机器人的力学特性主要包括刚性特性和柔性特性。
刚性特性是指机器人在刚性链中的刚性运动特性，主要包括位置精确性、刚度和载荷能力等。
位置精确性是指机器人在执行任务时的位置精度，即机器人能否达到目标位置并保持稳定。
刚度是指机器人在负载作用下的变形能力，即机器人是否能够承受较大的负载而不发生过大的变形。
载荷能力是指机器人能够承受的最大负载，即机器人的工作能力。
柔性特性是指机器人在柔性链中的柔性运动特性，主要包括柔性度和柔性变形特性等。
柔性度是指机器人在执行任务时的柔性程度，即机器人能否适应不同的工作环境和工作要求。
柔性变形特性是指机器人在外界载荷作用下的变形情况，即机器人是否能够在外界载荷作用下保持稳定，并且能够恢复到原始形状。
刚柔耦合机器人的力学特性分析可以采用仿真模拟和实验验证相结合的方法。
通过建立刚柔耦合机器人的力学模型，可以对机器人的力学特性进行仿真模拟，从而得到机器人在不同工作条件下的运动特性和力学性能。
同时，还可以通过实验验证的方法，对机器人进行实际测试，验证仿真模拟结果的准确性和可靠性。
在对刚柔耦合机器人进行力学特性分析的基础上，还可以通过优化设计来改善机器人的力学特性。
优化设计可以根据机器人的具体需求和工作条件，对机器人的结构参数进行调整和优化，从而提高机器人的力学性能和工作能力。
柔索驱动的平地行走下肢康复外骨骼机器人设计及研究
摘要随着下肢运动功能障碍患者数量日益增多和临床康复治疗愈发迫切，近年来下肢康复机器人的研究与发展受到国内外学者的广泛关注，如何使下肢康复机器人具备自适应、人机协作和柔性控制等效果是当前亟待解决的难题。
在此背景下，本文设计了一种基于套管式柔索驱动的平地行走下肢康复外骨骼机器人，并对其进行了理论分析和仿真研究，主要工作如下：（1）利用Xsens MVN惯性运动捕捉系统采集了正常人体行走步态信号，在对人体解剖学结构研究的基础上，建立了人体下肢的正运动学和逆动力学模型；考虑到地面力对下肢关节力矩的影响，推导并基于非保守Lagrange方程解算了行走下肢关节力矩；通过Simmechanics进行了逆动力学仿真，仿真结果验证了关节力矩解算的准确性，为理论分析和仿真研究提供了数据来源。
（2）依据下肢运动机理，提出了套管式柔索驱动下肢康复外骨骼机器人的总体方案；根据关节运动范围与成年人身高尺寸比例，完成了可调节型外骨骼与移动型台架的结构设计、柔索驱动关节的模块化构型设计以及驱动机构设计，确定了套管式柔索的连接方式，为分析研究奠定了模型基础；借助ANSYS Workbench 对关键零部件进行了静力学分析，校核结果表明结构设计能够满足强度要求。
（3）分析了柔索驱动关节的理论模型，通过位置逆解分析得到了柔索长度与关节角之间的变化规律；在力学分析的基础上，研究了柔索拉力分配问题，并利用P-范数近似与正交补方法实现了柔索拉力的优化求解；采用微元法分析了定曲率与变曲率套管摩擦力对柔索驱动的影响；设计了一种结构简单紧凑的柱型变刚度模块，并通过刚度分析验证了设计预期，为仿真研究提供了理论支撑。
（4）在ADAMS中搭建了下肢康复外骨骼机器人的虚拟样机，并分别基于柔索长度变化量与拉力进行了驱动仿真实验，通过比较关节角变化情况表明了模型设计的合理性与理论分析的正确性；根据患者被动行走康复训练特点，设计了自适应迭代学习控制系统，利用Simulink实现了联合仿真控制实验，结果验证了该控制方法对关节期望运动轨迹的跟踪性能与下肢康复外骨骼机器人的可控性。
张进华：探寻“以柔克刚”的软体机器人之谜
张进华：探寻“以柔克刚”的软体机器人之谜作者：苏寒山来源：《科学中国人·上半月》2022年第04期从1959年第一台工业机器人诞生以来，学家就一直痴迷于机器人的设计与幻想。
不过，机器人的出现是为了协助或替代人类进行更好的工作，现在大多数的机器人仍然是硬邦邦的“硬汉”。
对于机器人来说，“硬”还是“软”的选择是近年来才出现的一个问题。
人类正在不断扩展自己的想象力和创造力，开发出软萌如“大白”的机器人，这种利用柔性材料来制作的机器人，被称为软体机器人。
当前，这一研究正在学术界如火如荼地进行着，西安交通大学机械工程学院教授张进华正在努力开发一种高性能的软体机器人，希望能在医学、军事、探测、工业等领域得到更多的应用。
他说：“目前，软体机器人的发展还不能完全替代刚性机器人，刚柔并济、软硬兼备也许是机器人发展的一个重要方向。
两者缺一不可，我们还要继续努力。
”最好的安排：选择机械张进华高考的那一年，恰逢西安交通大学100周年校庆，铺天盖地的校庆宣传活动，让远在山东的他知道了西北有一所历史悠久、底蕴深厚的百年名校。
而西安交通大学的机械工程学更是在全国名列前茅，于是张进华几乎没有犹豫地选择了它。
“我出身于农村，本来是想本毕业之后直接工作的。
”张进华坦言人生总是会有很多的意外，成绩优秀的他在本毕业时顺利保研。
读研之后，张进华对研的兴趣越发强烈，他凭借硕士期间的优秀成绩留校工作。
“留校之后，每天忙着研和教学的同时深刻意识到攻读博士学位的重要性。
”西安交通大学良好的学氛围和身边老师给予的帮助让张进华选择在本校在职读博。
“十几年的时间转瞬即逝，西交大就和我的家一样，我对学校有依赖感，想继续留在这儿工作。
”博士毕业后，已为研工作做好知识储备的张进华正式在母校开始了新兴与传统不断碰撞的研道路。
未来的福音：康复软体手据不完全统计，2016年全球新增中风病人1370万，仅中国就占了40%，其中大部分人在病发后失去了手部功能。
(中)刚柔混合步态康复机器人运动规划
刚柔混联步态康复机器人机构学分析王克义1,2，张立勋1，孟浩 2（1.哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001）摘要：针对下肢步态康复训练需要，对一种刚柔混合并联康复机器人进行机构学研究.在满足工作空间需要的条件下，提出一种刚柔混合并联机器人，利用D-H法和影响系数法建立了系统的运动学模型，并通过牛顿欧拉法和联立约束法对力学平衡方程进行了分析，得出系统动力学具有非线性和耦合性.根据正常人步态规律，利用MATLAB和ADAMS软件进行了协作仿真，证明了所建运动学模型正确性，同时得出了关节运动与绳索运动之间对应关系.研究结果证明了刚柔混合并联康复机器人实现下肢步态康复训练的可行性，为该机器人的动力学分析和伺服控制策略研究做准备.关键词：刚柔混合；步态；康复机器人；运动规划中图分类号：TH113.2文献标识码： A 文章编号：Abstract：.Key words：随着物质生活水平的提高、机器人技术的发展以及人体运动参数化描述的进步，出现了一种新型机器人——康复训练机器人。
如今理论和实践已经证明，对具有肢体运动功能障碍（的）患者，借助该类机器人通过模拟正常人运动规律进行反复训练，能够防止肌肉“废用性”萎缩和关节僵硬，从而达到实现恢复肢体功能目的。
在下肢步态康复训练方面，目前主要存在两类机器人：一类是通过控制脚部的运动规律（单点控制），实现带动下肢髋膝关节的运动；另一类是附着在下肢肢体上，通过控制每一个关节处的铰链旋转，实现带动关节的运动（穿戴控制）。
前者传动机构容易实现，但对于具有冗余性的下肢[1]而言无法保证关节的运动精度，影响康复效果；后者能够保证关节运动精度，但传动机构和驱动装置不容易实现。
德国自由大学研制了一种下肢康复机器人MGT，其步态机构采用双曲柄摇杆机构[2]，仅有1个自由度，功能单一，无法实现复杂运动规律；美国加利福尼亚大学研制了一种两自由度下肢康复机器人，通过V型机构实现对与受训练者相连的端点进行控制，该机器人具有可逆性[3]；瑞士苏黎世联邦工业大学研制了新型Lokomat下肢康复机器人，具有4个回转自由度的穿戴装置带动受训练者腿部实现步态运动，但整体机构复杂，价格昂贵[4].中国在该方面的研究也取得一定进展，哈尔滨工程大学研制出一种采用并联机构控制脚踏板实现跨步[5]，可以满足下肢各种不同运动规律的需要，但机构比较庞大；上海大学、浙江大学等单位研制了一种下肢外骨骼装置，通过电动缸直线驱动实现收稿日期：2010-6-10基金项目：国家863资助项目(2008AA040203);黑龙江省自然科学基金资助项目(F200904)；中央高校基本科研业务费专项资金（HEUCF100707）. 装置的回转运动[6-7]，用以控制各个下肢关节的运动.绳索牵引并联机构具有运动速度快、惯性小、柔顺性好、结构简单等优点，现如今对其研究主要集中在工作空间、运动学、拉力优化、动力学和控制策略等内容.总结上述研究特征，该文提出一种刚柔混合并联下肢康复机器人，克服单点控制和穿戴控制的弊端，并对其进行了运动学、力学分析，通过联合仿真对机器人的步态期望运动进行了运动规划研究.为进一步研究系统的动力学和伺服控制策略提供了条件.1 刚柔混合机器人刚柔混合并联机器人由刚性二连杆机构和绳索牵引并联机构组成.机器人的二连杆机构通过连接装置分别附着在大、小腿上，用于带动髋关节和膝关节的转动；而绳索牵引并联机构用于控制二连杆上的牵引点在矢状面内运行，由于绳索牵引属于冗余驱动系统，为减少驱动元件，设计成完全约束定位机构[8].该刚柔混合机器人呈左右对称，考虑步态时下肢的运动空间[9]，将其中一侧的机构形式设计成如图1所示. 该机器人的刚性二连杆机构属于外骨骼装置，能够保证关节运动控制精度，改善了单点控制精度差的问题；绳索牵引不仅克服了穿戴控制中驱动装置不易布置问题，而且减小了系统惯性，能够提高系统的动态控制性能，同时柔性绳索在力闭环控制下能够降低对训练者主动性的强迫限制，提高训练安全性。
康复机器人PVDF柔性关节设计与驱动特性研究
康复机器人PVDF柔性关节设计与驱动特性研究
谢光辉;孙红;孙凡惟;王光建
【期刊名称】《机械传动》
【年(卷),期】2024(48)5
【摘要】针对康复机器人本体柔顺性差的问题,提出了一种新型的聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)凝胶基人工肌肉,将其作为康复机器人柔性关节致动器,期望实现类人动作。
介绍了PVDF凝胶制备和电致变形机制,并由此设计了具备收缩和伸张功能的单体肌肉,进而将多个单体肌肉上下串联,组合构成层级人工肌肉;基于康复机器人柔性关节3层级人工肌肉,辨识其驱动数学模型,并进行了仿真与实验。
结果表明,该人工肌肉能够有效地实现位置控制,具备电致收缩和扩张能力,作为致动器应用于柔性关节是可行的。
【总页数】5页(P164-168)
【作者】谢光辉;孙红;孙凡惟;王光建
【作者单位】重庆大学机械传动国家重点实验室;重庆电子工程职业学院智慧健康学院;新西兰奥克兰大学
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
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绳驱动刚-柔-软耦合机器人的设计与分析
绳驱动刚-柔-软耦合机器人的设计与分析
许泽华;杨凯盛;陈特欢;卢一标;钱灿;胡俊豪;阮阳飞
【期刊名称】《机械制造》
【年(卷),期】2024(62)2
【摘要】狭窄空间、复杂结构环境等应用场景要求机器人具有较高的柔顺性、灵活性、适应性、安全性,传统机器人难以满足这些要求。
对此,设计了一种绳驱动刚-柔-软耦合机器人。
这一机器人由连续型关节和刚性离散型关节串联而成,既具有连续型机器人的柔顺性和适应性,又通过末端离散型关节弥补连续型关节转弯半径大等不足,提高机器人末端灵活性。
这一机器人具有刚-柔-软耦合、串并联混合的特点,机器人逆运动学分析较为复杂,难以获得解析解。
对此,提出一种基于复合形优化算法的逆运动学求解方法,具有较高的计算效率。
在运动学建模分析的基础上,对这一机器人的工作空间进行了分析。
【总页数】7页(P1-7)
【作者】许泽华;杨凯盛;陈特欢;卢一标;钱灿;胡俊豪;阮阳飞
【作者单位】宁波大学机械工程与力学学院
【正文语种】中文
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刚柔混联下肢康复机器人绳索力优化及柔顺性控制研究
近年来,随着人们生活质量的提高,服务型机器人受到社会广泛关注,其中帮助运动功能障碍患者进行康复训练的机器人也快速发展起来。
因绳牵引并联机构具有机构布置容易、柔顺性好等特点,所以更能满足康复训练中的机器人构型需要和柔顺性要求,增强患者在康复训练中的有效性和安全性。
因此,研究绳牵引下肢康复机器人绳索力及其柔顺性控制具有重要的现实意义。
本课题是在国家自然科学基金(51405095)、哈尔滨市科技创新人才专项资金(2014RFQXJ037)及黑龙江博士后科研启动金(LBH-Q15030)资助下进行的。
主要内容如下:首先,根据步态训练需要,建立了刚柔混联机器人构型,依据机器人构型的驱动冗余度,利用广义逆g逆与Drazin逆,建立了绳索力优化模型,并通过MATLAB对模型进行了仿真分析,求解出绳索力变化规律。
利用所提出的衡量绳索驱动力性能指标,对比分析不同驱动冗余度下绳索驱动力的性能,为机器人绳索设置提供了依据。
其次,建立机器人系统动力学模型,并依据绳索驱动单元的数学模型,分析绳索刚度系数K与绳索阻尼系数B对绳索驱动单元频率特性的影响,进而分析刚柔混联下肢康复机器人的被动柔顺性。
考虑到训练者与机器人直接接触,为了保证训练者在康复训练中的有效性和安全性,建立基于力内环、位置外环的阻抗控制策略,使系统具有主动柔顺性特征,同时考虑外界扰动,在阻抗控制中加入前馈控制,构成绳索驱动单元的复合控制策略,实现抵抗扰动干扰提高跟踪效果。
利用MATLAB/Simulink对系统控制性能进行仿真分析,并验证所建控制策略的有效性。
最后,通过雷赛DMC5000运动控制卡、MLDS3620多功能直流伺服驱动器、阿尔泰PCI8620数据采集卡以及工业控制计算机建立控制系统。
通过对样机进行绳索驱动单元力闭环实验、绳索驱动单元轨迹跟踪实验以及绳索驱动单元阻抗控制实验,证明了所建立的刚柔混联下肢康复机器人控制策略对系统主动柔顺性控制的有效性。