外骨骼机械手控制系统设计
下肢外骨骼康复行走机器人控制系统设计
1、高度智能化：通过机器学习算法的不断训练和优化，控制系统的控制精度 得到了显著提高。
2、良好的适应性：系统能够根据不同患者的实际情况自动调整参数，满足个 性化的康复需求。
3、高度安全性：在系统中引入了多重安全保护措施，确保了患者在使用过程 中的安全。实验验证结果表明，该控制系统在帮助患者进行站立、行走等运动 方面具有显著效果，能够有效改善患者的运动功能。然而，仍存在一些不足之 处，如对患者的身体状态和运动数据的实时监测尚不完善，部分传感器数据的 准确性和稳定性有待提高等。
方法
为了实现上述目标，本次演示采用以下步骤和方法进行控制系统设计：
1、需求分析：首先对下肢外骨骼康复行走机器人的应用场景、患者需求、现 有产品的优缺点等进行深入调研和分析。
2、系统架构设计：根据需求分析结果，设计下肢外骨骼康复行走机器人的整 体架构，包括机械结构、控制器、传感器、执行器等组成部分。
下肢外骨骼康复机器人控制系统的主要设计原理基于人体运动学和动力学原理， 同时结合了机械设计、电子控制、传感器技术等多学科知识。具体实现方法和 步骤如下：
1、硬件设备选择：控制系统硬件设备包括机械结构、电机、传感器、电路板 等。根据使用者的身体状况和康复需求，选择轻便、耐用且符合人体工程学原 理的硬件设备。
3、设备性能方面，下肢外骨骼行走康复机器人具备良好的稳定性和耐用性， 但仍然存在一些可以改进的空间，如提高设备的自适应性、降低能耗等方面的 研究。
讨论：
根据研究结果，我们对下肢外骨骼行走康复机器人的研究现状进行了讨论。虽 然该领域已经取得了一定的进展，但仍存在一些问题需要进一步解决。例如， 设备重量和穿戴舒适度是影响用户体验的关键因素之一，如何通过优化设计和 材料选择等方式减轻设备重量、提高穿戴舒适度是未来的研究方向之一。
外骨骼机器人的设计与控制
外骨骼机器人的设计与控制近年来，随着科技的不断进步，人们对机器人的需求和关注度不断提高。
外骨骼机器人作为机器人领域中的一种特殊形态，备受人们的青睐。
它不同于其他机器人，它具有让人们思考人与机器之间的交互方式的特殊性质。
本文将从设计和控制两个方面，介绍外骨骼机器人的相关知识，希望对您有所帮助。
一、外骨骼机器人的设计外骨骼机器人的设计分为机械设计和电子设计两部分。
机械设计需要考虑外骨骼机器人的形状和机械结构，以实现外骨骼机器人对人类身体的协同作用。
电子设计则是指外骨骼机器人的控制和传感系统。
1. 机械设计外骨骼机器人的结构可以分为上肢外骨骼机器人和下肢外骨骼机器人。
上肢外骨骼机器人通常由肩部上升支撑系统、肘关节伸屈支架及手臂末端掌握装置三部分组成。
下肢外骨骼机器人则通常由髋关节伸屈支架、膝关节伸屈支架及足踝支架三部分组成。
在机械设计中，需要考虑的问题之一是机器人的重量分配。
机器人重的部分需要设立支持系统来减轻负荷。
还需要考虑不同材料的应用，比如是否使用碳纤维等轻质材料。
2. 电子设计外骨骼机器人的电子设计主要包括外骨骼控制系统和外骨骼传感系统。
外骨骼控制系统的设计主要考虑机器人运动的控制问题。
在设计控制系统时，需要根据机器人的运动情况确定传感器位置和种类，以便传输控制信号。
此外，需要设计完成电子控制板和相应程序，以实现机器人的运动和动作控制。
外骨骼传感系统则主要用于捕捉人体的行为和状态，以提供反馈。
其中常用的传感器有EMG传感器、力传感器和惯性传感器等。
二、外骨骼机器人的控制外骨骼机器人的控制分为运动控制和力控制两个方面。
运动控制旨在让机器人的运动轨迹与人体的健康运动轨迹相符合，并对人体肌肉产生最小的影响力。
力控制任务则是实现响应人的力冲击（比如行走时脚的着地冲击）并避免机器人的运动对人体的危害。
1. 运动控制外骨骼机器人的运动控制通常有两种方式：一种是使用运动捕捉技术；另一种是使用IMU和惯导系统，利用离线跟踪算法实现力和位置的估计。
《下肢外骨骼康复机器人的人机交互控制系统设计与实现》
《下肢外骨骼康复机器人的人机交互控制系统设计与实现》一、引言随着医疗科技和机器人技术的飞速发展，下肢外骨骼康复机器人成为了康复医学领域的研究热点。
该类机器人通过模拟正常人体运动模式，协助患者进行康复训练，从而改善其行动能力。
其中，人机交互控制系统的设计与实现是影响康复效果和用户体验的关键因素。
本文将探讨下肢外骨骼康复机器人的人机交互控制系统的设计思路与实现方法。
二、系统设计目标1. 提供精确的力矩控制，以模拟人体自然运动；2. 增强患者与机器之间的交互体验，确保安全与舒适；3. 具备可定制的康复训练模式，满足不同患者的需求；4. 实时监测患者状态，并根据反馈调整康复策略。
三、系统设计原则1. 安全性：确保系统运行过程中患者安全无虞；2. 舒适性：系统应贴合人体工学设计，确保患者使用舒适；3. 智能化：通过算法优化，实现智能化的运动模式调整和康复策略制定；4. 可扩展性：系统设计应具备可扩展性，方便未来功能的增加和升级。
四、硬件结构设计硬件结构包括外骨骼机械结构、传感器系统和驱动系统。
外骨骼机械结构应与人体下肢紧密贴合，保证运动的一致性。
传感器系统包括力矩传感器、位置传感器和压力传感器等，用于实时监测患者的生理数据和机器的运动状态。
驱动系统则负责驱动外骨骼机械结构进行运动。
五、软件控制系统设计软件控制系统是整个系统的核心，包括控制算法、交互界面和数据处理模块。
控制算法负责根据传感器数据调整机器的运动模式，实现人机协同。
交互界面则提供友好的操作体验，方便患者和医护人员操作。
数据处理模块负责收集和分析患者数据，为康复策略的制定提供依据。
六、人机交互实现人机交互实现主要依赖于传感器数据的获取和处理、控制算法的优化以及交互界面的设计。
通过力矩传感器、位置传感器等获取患者的生理数据和机器的运动状态，经过数据处理模块的分析和处理，得出控制指令，通过控制算法调整机器的运动模式，实现人机协同。
同时，交互界面的设计应考虑患者的使用习惯和需求，提供友好的操作体验。
外骨骼机械手控制系统设计
（ＦＰＧＡ），ｓｅｎｓｏｒ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｈｕｍａｎ ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ
Ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ，ａｎｇｌｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ｏｎ
Ａｎｄｒｏｉｄ ｓｙｓｔｅｍ．
ｓｔａｔｅ
ａｎｄ ｅｎｃｏｄｅｒ，ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ｃ０１ｌｅｃｔ ｍｏｔｉｏｎ
利用互联网接收和显示来自患者便携式设备中的 康复数据，为主治医生了解患者的康复情况提供 一种有力的手段． １．２传感器测量系统设计 为了满足患者主动康复训练的要求，系统须 获取外骨骼机械手的运动状态和患者施加于外骨 骼机械手的接触力，以实现在位置控制环和力控 制环对患手的精确控制．手部康复机器人传感测 量系统包括力检测和关节位置检测两大部分，其 中布置在外骨骼机械手指尖的一对力传感器能够 精确测得手指指尖相对于外骨骼机械手的相互作 用力；布置在手臂上的编码器通过检测电机的运 动状态输出相位差为９０。的两相方波信号；布置 在手套上的柔性角度传感器作用相当于数据手 套，能够实时反馈患者手部运动状态，为控制系统 提供一个绝对的参考目标，为手部功能康复机器
ｔｏ
Ａｎｄｒｏｉｄ ｃｏｕｌｄ １ｅａｄ ｐａｔｉｅｎｔ
ｔａｋｅ ｉｎｉｔｉａｔｉＶｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ａｎｄ
ｐａｓｓｉＶｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｗｅｒｅ ａｕｔｏ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｂｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｔｉｅｎｔ’ｓ ｈａｎｄ ａｎｄ ｅｘｏｓｋｅｌｅ—
外骨骼机器人控制系统的设计与实现
外骨骼机器人控制系统的设计与实现近年来，随着科技的飞速发展，机器人技术也不断得到升级和完善，其中外骨骼机器人备受关注。
外骨骼机器人可以帮助行动不便的人进行康复训练，也可以增加人类劳动力，提高生产效率。
为了使外骨骼机器人更加智能化、便捷化，控制系统的设计与实现显得尤为重要。
一、外骨骼机器人的构成外骨骼机器人主要由机械结构、传感器、执行机构、电源系统和控制系统五部分组成。
传感器包括惯性传感器、力传感器、视觉传感器等；执行机构包括电机、气缸、液压缸等；电源系统主要提供机械设备和电子设备的电力支持；控制系统是外骨骼机器人的“大脑”，通过对各种传感器数据和任务信息的处理，控制执行机构动作。
二、外骨骼机器人控制系统设计的流程1、确定机器人任务：外骨骼机器人有不同的应用场景，需要根据不同任务来设计控制系统。
2、选择传感器：根据任务需求，选择合适的传感器，进行数据采集工作。
3、确定控制算法：控制算法根据用户控制动作摆动情况、测量行进速度、测量技术数据及计算等信息，对控制系统进行处理。
4、设计控制器：根据所需功能和算法，进行控制器软硬件的设计。
5、测试并调整控制系统：通过外骨骼机器人进行测试和调整，优化控制系统。
三、外骨骼机器人控制系统实现的关键技术1、姿态控制技术：外骨骼机器人的姿态控制是针对机器人完整系统的变化而显示的动态响应控制。
2、力控制技术：外骨骼机器人的力控制技术关键是使机器人稳定性，在安全的前提下使力传感器检测到的数据控制附加部分力。
3、传感器融合技术：传感器融合技术是指将多个传感器数据融合进行处理，消除数据之间的影响，提高控制系统的精度和稳定性。
4、数据处理技术：数据处理技术是将传感器采集到的数据进行预处理，如去噪、降采样、滤波等，以提高数据质量，提高控制系统精度。
四、控制系统的实现方案外骨骼机器人的控制系统可以采用硬件控制和软件控制两种方案。
硬件控制的实现需要设计电子电路，软件控制的实现需要编写控制程序。
下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计
下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计1. 引言下肢外骨骼康复机器人是一种应用于康复医学领域的新型辅助设备。
它通过机器人结构和控制系统，帮助患者进行下肢康复训练，恢复肌肉力量和运动功能。
在这样的机器人系统中，控制系统软件设计起着至关重要的作用。
2. 下肢外骨骼康复机器人的功能需求下肢外骨骼康复机器人的主要功能是辅助患者进行下肢运动。
因此，控制系统软件设计需要满足以下需求：a. 运动控制：能够根据医生或康复师的指令，控制机器人完成特定的下肢运动，如行走、上下楼梯等。
b. 力量支持：能够根据患者的需要，通过机器人的力量支持，帮助患者完成康复训练。
c. 感知调整：能够通过传感器监测患者的运动状态、肌肉力量等信息，并根据实时数据对机器人的运动进行调整。
d. 安全保障：能够确保患者在康复训练过程中的安全，如及时停止机器人运动、报警等。
3. 下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计流程下肢外骨骼康复机器人控制系统软件的设计流程主要包括以下几个步骤：a. 界面设计：设计机器人控制系统的用户界面，包括显示患者的运动状态、机器人的控制参数等。
b. 运动规划：根据患者的康复需求，设计机器人的运动规划算法，确定机器人的运动轨迹以及关节角度的控制。
c. 力量控制：设计机器人的力量控制算法，实现对机器人的力量输出的控制，以满足患者的康复需求。
d. 传感器数据处理：通过传感器获取患者的运动状态、肌肉力量等信息，并进行数据处理，提取有效指标。
e. 控制策略设计：设计机器人的控制策略，通过数据处理结果和运动规划算法，实现对机器人的运动控制。
f. 安全保障设计：设计机器人的安全保护策略，包括患者紧急停止机制、机器人异常报警等。
4. 下肢外骨骼康复机器人控制系统软件的关键技术下肢外骨骼康复机器人控制系统软件的设计中，涉及到以下关键技术：a. 运动规划算法：根据医生或康复师的指令，设计机器人的运动规划算法，确定机器人的动作轨迹和关节角度。
外骨骼康复机器人的设计与控制研究
外骨骼康复机器人的设计与控制研究随着人口老龄化的加剧以及各种意外事件的频繁发生，患者的康复需求越来越高。
传统的康复方法需要庞大的人力和物力，并且难以充分满足患者的需求。
因此，外骨骼康复机器人的设计与控制研究已经成为一种新的趋势。
外骨骼康复机器人是一种可以与人体直接接触的机器人，可以帮助人体的运动功能进行康复。
它主要由运动控制系统、力/传感系统和行走算法等组成。
其中，运动控制系统是整个系统最重要的组成部分，它通过电动驱动器和传感器实现对运动平衡的控制，并可自适应调整每个关节的运动角度和力矩，在实现康复的同时，避免了对运动组织的二次伤害。
外骨骼康复机器人的设计具有许多挑战性问题，包括结构设计、动力学建模与控制算法设计等。
其中，结构设计是影响机器人性能的一个重要因素。
机器人的外形、材料和布局应该能够充分考虑人体结构的特点，具有良好的适应性和舒适性。
同时，由于机器人所承受的载荷较大，因此结构必须具有足够的强度和刚度。
动力学建模是外骨骼康复机器人控制算法设计的基础。
它通过建立机器人与人体的动力学模型，以预测人体的运动状态和相应的力矩，从而实现良好的控制性能。
同时，由于人体的运动状态和运动模式具有相互影响的特性，因此在设计控制算法时必须考虑人体的运动状态和运动模式对机器人的影响。
控制算法设计是外骨骼康复机器人的关键技术之一。
它主要包括姿态控制、步态规划、力矩控制和反馈控制等。
其中，姿态控制主要是调整机器人的关节角度，以使人体运动回路达到平衡；步态规划主要是确定每一步的运动目标和运动轨迹，以实现平稳的步态；力矩控制主要控制机器人与人体之间的力矩转换，以实现合适的支撑和摆动；反馈控制主要是通过传感技术反馈机器人与人体之间的力量信息，以实现精准的运动控制。
外骨骼康复机器人的研究具有广阔的发展前景。
它可以帮助患者恢复行动能力，减轻护理人员的工作负担，同时也可以有效降低医疗成本。
然而，外骨骼康复机器人的开发仍面临许多挑战。
下肢外骨骼康复机器人控制系统设计与研究
下肢外骨骼康复机器人控制系统设计与研究一、本文概述随着科技的不断进步，医疗康复领域迎来了前所未有的发展机遇。
下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体行走、促进康复的重要设备，其设计与研究具有重要的实践意义和理论价值。
本文旨在探讨下肢外骨骼康复机器人的控制系统设计，包括硬件构成、软件编程以及运动控制策略等方面，以期为提高康复效果、促进患者康复进程做出贡献。
本文首先介绍了下肢外骨骼康复机器人的研究背景和发展现状，阐述了其在医疗康复领域的应用前景。
随后，详细分析了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计要求和技术难点，包括机械结构设计、传感器选型与配置、运动学建模与控制算法设计等方面。
在此基础上，本文提出了一种基于人机交互的下肢外骨骼康复机器人控制策略，以实现精准的运动轨迹控制和个性化康复治疗。
接下来，文章重点阐述了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计与实现过程。
介绍了控制系统的硬件构成，包括主控制器、驱动器、传感器等关键部件的选型与配置。
然后，详细描述了控制系统的软件编程，包括运动学建模、控制算法实现、人机交互界面开发等方面。
通过实验验证和临床应用测试，评估了所设计的控制系统的性能和效果。
本文的研究成果不仅为下肢外骨骼康复机器人的设计与研究提供了有益的参考，也为医疗康复领域的技术创新和发展提供了新的思路和方法。
未来，我们将继续深入研究下肢外骨骼康复机器人的控制策略和技术应用，以期为患者提供更加高效、个性化的康复治疗方案。
二、下肢外骨骼康复机器人基础理论下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体下肢运动的医疗设备，其基础理论涉及多个学科领域，包括生物力学、机器人技术、控制理论以及人机交互等。
生物力学基础：生物力学是研究生物体在力学作用下的反应和适应的科学。
在下肢外骨骼康复机器人的设计中，必须充分理解人体下肢的生物力学特性，包括骨骼结构、肌肉力量分布、关节运动范围等。
这些特性为机器人设计提供了重要的参考依据，确保了机器人在辅助人体运动时能够符合生物力学规律，避免对人体造成不必要的损伤。
外骨骼机器人控制原理与设计
外骨骼机器人控制原理与设计嘿，朋友们！今天咱就来唠唠外骨骼机器人控制原理与设计这档子事儿。
你说这外骨骼机器人啊，就像是给人穿上了一套超级装备！它能帮咱干好多事儿呢，就像给咱加了一股神奇的力量。
咱先说说这控制原理哈。
你可以把它想象成是大脑指挥身体行动一样。
外骨骼机器人也有自己的一套“大脑”系统，能感知人的动作和意图，然后迅速做出反应，配合人一起行动。
这就好比你和一个特别默契的伙伴一起做事儿，你一个眼神，它就知道你要干啥。
那这“大脑”是咋工作的呢？这里面可就有好多门道啦！有各种传感器，就像人的眼睛、耳朵一样，能收集各种信息，然后通过复杂的电路和算法，转化成机器人能懂的语言。
这是不是很神奇？就好像它能听懂咱的心里话似的。
再说说这设计。
那可得精心雕琢啊！要考虑人的身体结构、活动范围，还得让机器人穿起来舒服，不能太笨重。
这就跟咱买衣服一样，得合身、得好看、还得穿着舒服。
要是设计得不好，那可就成了累赘啦！你想想，要是外骨骼机器人设计得不合理，要么这儿卡一下，要么那儿磨得慌，那还咋用啊？所以设计师们可得下大功夫，把每个细节都考虑到。
而且啊，这外骨骼机器人的应用那可广了去了。
在医疗领域，能帮助那些行动不便的人重新站起来，走起来，这多了不起啊！在工业领域，工人可以借助它干重活，减轻身体负担，这不是挺好的嘛！咱中国在这方面也发展得很不错呢！科研人员们不断努力，让我们的外骨骼机器人越来越先进。
这就像我们的高铁一样，从无到有，从落后到领先，多让人自豪啊！这不就是科技的魅力吗？它能让我们的生活变得更加美好，能帮我们做到以前想都不敢想的事情。
所以啊，大家可别小瞧了这外骨骼机器人，它的未来可不可限量呢！咱就等着看它给我们带来更多的惊喜吧！这可不是我在吹牛，不信你就等着瞧！。
外骨骼康复机器人控制系统设计与实现
外骨骼康复机器人控制系统设计与实现外骨骼康复机器人是一种可以协助受伤或残疾人进行康复训练的机器人。
在康复治疗中，外骨骼机器人可以帮助患者进行步态训练、肌肉力量训练等，从而加快康复进程。
外骨骼机器人的控制系统是机器人实现运动的核心。
本文将介绍外骨骼康复机器人的控制系统设计与实现。
一、控制系统的设计控制系统的设计是外骨骼机器人开发的重要部分。
正确的设计可以保证机器人能够正常运行并实现自身的功能。
1. 系统架构设计外骨骼康复机器人的系统架构是指机器人各个部分实现功能的结构方式。
系统架构应保证机器人的功能必须被实现。
在康复治疗中，外骨骼机器人的功能包括设置关节范围、控制关节的旋转，并确保机器人的安全性。
2. 传感器的设计传感器是控制系统的重要组成部分。
机器人需要传感器来检测人类运动和机器人自身运动。
此外，传感器还可以检测用户的身体姿态，以确保机器人的功能得到正确实现。
3. 控制算法的设计机器人的控制算法是机器人实现功能的核心部分。
机器人的控制算法采用机器学习算法和深度学习算法来实现。
能够根据患者的特定情况来进行形式化的控制，以便机器人的运动可以定制和满足患者的个体差异。
此外，控制算法还需要能够进行预测并及时响应，以消除任何问题。
4. 运动学模型的建立运动学模型是机器人控制系统的一个重要部分。
它用于计算机器人的运动速度、方向和加速度。
一个好的运动学模型可以确保机器人运动的完整性，并确保机器人的连续性。
5. 状态估计和反馈设计状态估计和反馈控制是机器人控制系统中的另一个重要组成部分。
状态估计用于实时监测机器人的状态，而反馈控制则可调整机器人的状态。
此外，状态估计和反馈控制可保证机器人的运动是平稳的，以便患者可以舒适地进行康复训练。
6. 机器人界面设计机器人界面是机器人控制系统的另一个重要组成部分。
它用于与操作者、医生和患者进行交流。
正确的界面设计可确保机器人的操作方便、准确和可靠，并可以提高机器人操作者的使用效率。
上肢外骨骼机器人控制系统建模与设计
本系统采用的力与位置双闭环控制还需要采集位 置信号, 所用的传感器为成都鼎创公司的 SKSE19A 型 绝对式旋转编码器。这种传感器的光码盘上有许多道 光通道刻线, 通过读取每道刻线的通、暗, 获得一组从
图 2 控制系统 D SP接 线图
3. 3 动力学分析与电机的选择 根据上肢外骨骼机器人的功能需求, 电机选上海
%测控技术 &2009年第 28卷第 12期
20 ~ 2( n- 1) 的唯一的二进制编码 (格雷码 ) , 这就称为 n 位绝对编码器。利用此种旋转编码器实现对角度的测 量, 将结果输入 DSP 中实现位置的控制。 3. 2 控制器 DSP 的选择
由于本系统采用的是力与位置的双闭环控制, 而 且要驱动上肢外骨骼机器人上安装的 3个直流无刷电 机的运动。因此采用 T I公司的 TM S320LF2407A [ 4] , 其管脚数为 144, 完全可满足同时对 3 个环路的电机 控制 (单臂 )。在本控制系统中, 输入为肌 电传感器, 压阻式压力传感器, 旋转编码器采集的数字信号, 输出 为 DSP 经过运算后得到的 PWM 波, 通过改变 PWM 波 的占空比, 达到对直流无刷电机的电枢控制。图 2所 示的是利用 DSP 控制的硬件接线示意图。
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上肢外骨骼机器人控制系统建模与设计
贺 琛, 张小栋, 杨玉涛
外骨骼机器人的设计与控制
外骨骼机器人的设计与控制一、引言近年来，随着科技的不断发展，外骨骼机器人作为一种前沿的机器人技术，引起了人们的广泛关注。
外骨骼机器人，是一种可以模拟人体肢体结构，通过机械装置的协助，增强人的运动功能及承重能力的机器人。
外骨骼机器人在军事、医学及民用方面等多个领域具有广泛的应用前景。
二、外骨骼机器人的设计（一）外骨骼结构设计外骨骼结构设计是外骨骼机器人设计的重要环节，主要包括外骨骼机器人的结构设计及材料选择。
外骨骼机器人必须具备高强度、轻量化、耐磨损等特性，设计者需要根据应用场景的不同，选择合适的材料和结构形式。
目前，常见的外骨骼结构设计有骨骼结构、气压驱动结构、电动驱动结构等多种形式。
（二）动力设计外骨骼机器人需要强大的动力支持，才能满足复杂的动力需求。
外骨骼机器人的动力支持可以采用电动助力、气动助力、液压助力等多种方式，设计者需要根据应用场景的需求，选用合适的动力系统。
（三）传感器及控制系统设计外骨骼机器人需要高效的传感器及控制系统来实现机器人的控制及运动。
传感器主要用于感知机器人的环境信息，包括机器人的姿态、位置、力等信息。
控制系统主要用于实现机器人的控制，包括关闭/开启外骨骼机器人、稳态控制、动态控制等功能。
三、外骨骼机器人的控制外骨骼机器人的控制是外骨骼机器人设计的重要环节，控制策略是实现外骨骼机器人稳定控制的核心。
外骨骼机器人的控制可以采用PID控制、LQR控制、模糊控制等多种方式，下面将以LQR控制为例进行介绍。
（一）LQR控制LQR控制（线性二次调节控制）是一种优化控制方法，主要用于线性动态系统的控制。
LQR控制依据系统动态特性，设计优化控制器进行系统稳态控制。
LQR控制具有设计简单，控制精度高等优点，近年来在外骨骼控制领域得到了广泛的应用。
（二）LQR控制在外骨骼机器人中的应用外骨骼机器人的控制主要包括稳态控制与动态控制。
稳态控制指的是机器人在不进行运动时的稳定性控制；动态控制指的是机器人运动时的力矩控制。
外骨骼机器人设计与控制研究
外骨骼机器人设计与控制研究随着科技的不断发展，外骨骼机器人成为了一个备受关注的研究领域。
外骨骼机器人是一种能够帮助人类完成工作或改善行动功能的机器人装置，它通过感知人类的运动意图并提供力矩支持来增强人类的行动能力。
在本文中，我们将探讨外骨骼机器人的设计与控制研究。
第一部分：外骨骼机器人的设计外骨骼机器人的设计需要考虑多方面的因素，包括机械结构、传感器、执行器以及控制系统等。
首先，机械结构的设计应该考虑人体工程学原理，确保机器人能够与人类身体接触的部分尽可能符合人体的形态和运动特点。
此外，机械结构的材料选择也需要考虑到机器人的重量和耐用性。
其次，传感器在外骨骼机器人的设计中起着至关重要的作用。
传感器能够感知人体的姿态、力矩和力量等信息，并将这些信息传递给控制系统。
常用的传感器包括惯性测量单元（IMU）、压力传感器和肌电传感器等。
这些传感器能够提供准确的生物信号数据，从而帮助控制系统识别人体的运动意图。
第二部分：外骨骼机器人的控制外骨骼机器人的控制是保证机器人能够与人类协同工作的关键。
控制系统需要通过传感器获取的生物信号数据来判断人体的运动意图，并将其转化为相应的机器人动作。
常用的控制算法有基于PID控制器的位置控制、基于模糊逻辑的力矩控制以及基于神经网络的运动识别等。
同时，控制系统还需要具备实时性和稳定性。
实时性是指控制系统能够在较短的时间内响应和适应人体的运动变化。
稳定性是指控制系统能够保持与人体协调稳定的状态，避免对人体造成不必要的力矩或冲击。
第三部分：外骨骼机器人在康复医疗领域的应用外骨骼机器人在康复医疗领域有着广泛的应用前景。
外骨骼机器人可以帮助患者进行重训练，恢复受损的运动功能。
通过感知患者的运动意图并提供力矩支持，外骨骼机器人可以引导患者进行正确的运动方式，并加强患者的肌肉力量和运动协调性。
此外，外骨骼机器人还可以在工业领域和军事领域发挥重要作用。
在工业生产中，外骨骼机器人可以帮助工人完成繁重的劳动任务，减轻工人的负担并提高工作效率。
外骨骼助力设备的设计与控制
外骨骼助力设备的设计与控制现代科技的不断进步使得我们能够创造出越来越复杂、高雅的机器人和机械设备，这些设备的目的并不仅仅是替代人力，而是更好地帮助人类完成它们原本无法完成或较难完成的任务。
而外骨骼就是这样一种在智能化进程中涌现出来的伟大设备。
它的目的不仅是尽可能优化体能劳动力劳动和正确运用力量，而且它还可以让那些因残疾、运动受制或其他原因而无法进行正常活动的人恢复其正常运动能力。
外骨骼助力设备的设计是一个非常复杂的过程，需要考虑到各种不同的因素。
首先，设计师需要考虑如何使装置具有最佳的功能性，能够帮助人们完成各种不同的任务，例如抬起重物、行走和进行一些日常活动等。
其次，设计师需要考虑外骨骼设备的重量、形状和大小等因素，以确保用户能够舒适地穿戴和使用。
在设计过程中，还需要考虑到电力和电池寿命的问题等。
因此，设计的过程需要非常精细而周密的计算。
与设计不同，控制系统的要求要求更高。
外骨骼设备的控制涉及到多个不同的功能，如机械、电气、软件和人机交互等方面。
由于这些因素的存在，控制系统的开发面临着许多挑战。
对于控制系统的设计，开发和调试都需要有着很高的专业技能。
开发者需要了解计算机科学和电子工程等方面的知识，还需要具备软件开发和数据分析等方面的技能。
为了更好地理解外骨骼的控制系统，我们需要知道其中的一般过程。
我们可以将外骨骼设备的控制分为必需和辅助系统，其中必需系统包括机械部件、控制电路和动力电池等，辅助部分主要包括用户交互和其他功能，例如传感器，声音和运动控制等。
通过这种分离的方法，设计师将能够更加清晰的了解所有组成部分如何相互作用和相互影响。
外骨骼设备的控制算法主要涉及到四个方面：传感器数据采集、控制算法设计、计算机与硬件之间的数据交互和系统测试。
传感器是外骨骼系统中非常重要的组成部分。
传感器的作用是采集信息并将其转换为易于控制的信号，例如人体位置、力度和力量等的传感器。
设计师需要确定传感器数量和传感器位置，以精确测量信息。
外骨骼助力下的人机协同操控系统设计
外骨骼助力下的人机协同操控系统设计随着科技的不断发展，人机协同操控系统已经成为了现代工业领域中不可缺少的一部分。
而外骨骼技术作为人机协同操控系统的重要组成部分之一，已经在工业生产、军事作战、医疗康复等诸多领域中展现出了广泛的应用前景。
本文将着重探讨外骨骼助力下的人机协同操控系统的设计与应用。
一、外骨骼技术的特点及应用外骨骼技术是一种利用电力和液压等技术手段将外部力和能量引入人体骨骼结构中，从而提高人体躯体的机械性能的新型概念。
与传统的机械系统相比，外骨骼技术具有更为灵活的动态运动、更高的重量和负载承载能力、更强的抗干扰能力等优势。
现代外骨骼技术已广泛应用于医学康复、军事作战、消防救援、工业生产等领域。
例如，在医学康复领域中，外骨骼技术已成为帮助瘫痪患者康复的重要手段之一。
在工业生产领域中，外骨骼技术的应用则主要集中于提高工人的生产效率和劳动保护。
二、外骨骼助力下的人机协同操控系统设计在外骨骼技术的基础上，外骨骼助力下的人机协同操控系统是通过将人的动力、敏捷性与机器的力量、速度优势结合起来，使得人和机器之间的合作变得更加紧密和高效。
外骨骼助力下的人机协同操控系统的设计需要考虑到多方面的因素，包括机械结构设计、控制系统设计、感知系统设计等。
其中，机械结构设计是保证外骨骼正常工作的基础。
外骨骼的结构应该考虑到人体的解剖结构，力学因素等因素的影响，并且需要保证外骨骼的负载承载能力和支撑稳定性。
控制系统设计则是保证外骨骼的稳定性和控制性能。
现代外骨骼助力下的人机协同操控系统通常是基于智能控制技术和传感器技术的，同时需要与用户的生理信号进行集成，从而实现对外骨骼的高效控制。
感知系统设计是保证外骨骼对环境变化能够做出及时反应的关键。
外骨骼感知系统通常与控制系统进行合作，以实现对环境变化的主动感知和判断，并进行相应的控制反应操作。
三、外骨骼助力下的人机协同操控系统的应用外骨骼助力下的人机协同操控系统已经在多个领域中得到应用，例如医疗康复领域。
自平衡外骨骼机器人系统设计及其控制策略研究
自平衡外骨骼机器人系统设计及其控制策略研究1.引言外骨骼机器人是一种具有支撑和辅助功能的机器人系统，可以用于改善人类的运动能力。
自平衡外骨骼机器人在控制策略上具有一定的挑战，因为它需要实时感知用户的意图并做出相应的动作，以保持平衡。
本文将介绍自平衡外骨骼机器人系统的设计以及相应的控制策略。
2.自平衡外骨骼机器人系统设计自平衡外骨骼机器人系统由骨架结构、传感器、执行机构和控制器等部件组成。
骨架结构必须既具有足够的刚度和强度，又能够适应用户的运动。
传感器可以用于感知用户的运动和环境信息，如陀螺仪、加速度计和力传感器等。
执行机构通常包括电动机和液压系统，用于实现外骨骼的动作。
控制器则是系统的核心模块，用于分析传感器数据并制定相应的控制策略。
为了实现自平衡外骨骼机器人的稳定运动，研究者们提出了多种控制策略。
一种常用的方法是基于PID控制器的姿态控制。
PID控制器可以通过调节系统的输出来使其回到平衡位置。
然而，由于外骨骼机器人是非线性系统，PID控制器的性能可能不够理想。
因此，一些研究者提出了基于模型预测控制（MPC）的方法。
MPC通过建立系统的模型并预测未来状态来优化控制器的输出。
另一种常用的方法是基于反馈线性化的控制策略。
这种方法通过对系统进行线性化来简化控制器的设计。
具体来说，可以将非线性动力学模型线性化为可控制的线性模型，并根据线性模型设计控制器。
然后，再通过对非线性外骨骼机器人系统进行反馈线性化，将线性控制器扩展到非线性系统上。
这种方法在实验中取得了较好的效果。
4.结论自平衡外骨骼机器人系统的设计和控制策略是一个复杂而富有挑战性的研究领域。
骨架结构、传感器、执行机构和控制器等组成部分必须相互配合，以实现系统的稳定运动。
控制策略的选择和设计也对系统的性能和稳定性有着重要影响。
以上介绍的方法只是其中的一部分，还有很多其他方法有待进一步研究和探索。
随着技术的进步和研究的深入，相信自平衡外骨骼机器人系统将在未来的医疗、康复和助力等领域有着广泛的应用。
上肢外骨骼康复机器人运动控制系统设计
上肢外骨骼康复机器人运动控制系统设计上肢外骨骼康复机器人运动控制系统设计摘要：近年来，随着人口老龄化的加剧，上肢功能障碍患者越来越多，因此开发上肢外骨骼康复机器人成为一个热门领域。
本文基于对上肢外骨骼康复机器人的结构和工作原理的研究，设计了一种运动控制系统。
该系统包括外骨骼驱动系统、控制器和传感器等部件，通过对各个部件的设计和组合，实现了对上肢外骨骼机器人的精确控制。
实验结果表明，该控制系统能够有效地帮助患者恢复上肢功能。
一、引言上肢功能障碍是一种常见的康复问题，严重影响了患者的生活质量。
传统的康复方法主要依赖于医护人员的帮助，效果有限。
为了解决这一问题，研究人员开始开发上肢外骨骼康复机器人，利用机器人的力量帮助患者恢复上肢功能。
然而，上肢外骨骼康复机器人的运动控制是一个复杂的问题，需要设计合理、精确的控制系统。
二、上肢外骨骼康复机器人的结构和工作原理上肢外骨骼康复机器人主要由机械结构、驱动系统、传感器和控制系统等组成。
机械结构包括手臂支撑和连接装置，用于支撑机器人和连接外骨骼。
驱动系统主要通过电动机驱动机械臂的运动，为患者提供外力。
传感器用于检测患者的动作和力度，以便改变机器人的运动。
控制系统则根据传感器的反馈信号，调整外骨骼机械臂的运动参数，实现对患者上肢的精确控制。
三、运动控制系统的设计1. 外骨骼驱动系统的设计外骨骼驱动系统是上肢外骨骼康复机器人的核心组成部分。
我们选择了直流无刷电机作为驱动电机，采用串级PID控制算法以实现对机械臂运动的精确控制。
控制器利用反馈控制的方法，根据位移、速度和力传感器的反馈信号对驱动电机进行控制。
2. 控制器的设计控制器是运动控制系统的关键部分，它负责接收并处理传感器的反馈信号，并通过控制信号来驱动驱动电机。
我们采用了单片机作为控制器的核心，利用PID控制算法对机械臂的运动进行控制。
同时，为了提高控制的稳定性，我们还设计了滤波器和反馈补偿器等辅助模块。
3. 传感器的设计传感器用于检测患者的动作和力度等信息，是运动控制的基础。
外骨骼机器人系统设计与实现
外骨骼机器人系统设计与实现随着科技的发展，人类对于机器人的依赖和需求越来越大。
在医疗和智能制造等领域，机器人已经得到广泛应用。
而外骨骼机器人，则是机器人技术中一个新兴发展的领域。
外骨骼机器人是一种可以穿戴在身上的设备，用于增强和支持人体运动的机器人。
它在医疗、军事、物流等领域有着广泛的应用前景。
如日本实验外骨骼机器人在民用领域的应用情况已经有很多报道。
比如，移动式作业机械的操作、为劳动力不足的农地提供人力支援、以及救援等应用场景。
那么，在设计和实现一台外骨骼机器人时，我们需要考虑哪些关键因素呢？1. 功能设计首先，我们需要确定外骨骼机器人的功能。
比如，是用于助力行走、支撑下肢运动、还是其他功能。
需根据应用场景和需求来确定机器人的功能。
2. 结构设计结构设计需要考虑机器人的形态和体积，使其在穿戴时方便、舒适且稳定。
另外，结构设计也包括机器人的力学结构和操作系统设计，这些都是外骨骼机器人功能实现的关键。
3. 传感器设计外骨骼机器人需要搭载传感器，用于检测和感知用户的动作和姿态信息。
通过传感器和用户间的数据交互，实现机器人的动作精准控制和匹配。
4. 动力需求机器人需要能够提供足够的动力支撑，才能完成相应的功能。
外骨骼机器人通常由一台电机驱动，需确保动力系统的稳定和可靠。
5. 软件控制外骨骼机器人的软件控制是实现其运动、反馈和相应操作的关键。
软件控制应具有快速、准确、可靠的特征。
以上是外骨骼机器人系统设计中关键的几个方面。
当然，在实现过程中还需要考虑其他问题，例如机器人在实际应用中的适应性和性能等。
现今，外骨骼机器人的应用场景非常广泛。
在未来，外骨骼机器人的发展前景也将越来越好。
因为它解决了人体的某些不便以及对身体的强壮和支持的需求，有着广泛的市场和发展前景。
自平衡外骨骼机器人系统设计及其控制策略研究
自平衡外骨骼机器人、传感器、控制器、实验场 地。
实验设计
设计多种实验场景，包括平地行走、上下坡行走 、转身等，记录机器人的运动数据和姿态信息。
实验结果分析
数据处理
对采集到的数据进行处理，提取机器人的运动轨迹、速度、加速 度等指标。
稳定性分析
分析机器人在不同场景下的稳定性表现，包括是否有倾倒、步态 是否稳定等。
06
参考文献
参考文献
文献1 作者：张三
标题：《自平衡外骨骼机器人系统设计的关键技术研究》
感谢您的观看
THANKS
在未来的研究中，我们将继续优化外骨骼机器人的设计和控制策略，提高机器人的稳定性 和适应性。同时，我们还将研究如何提高机器人的穿戴舒适性，以便更好地满足用户的需 求。
我们还将开展更多的实验来验证机器人的性能和可靠性，并探索其在不同领域的应用前景 。例如，自平衡外骨骼机器人可以应用于医疗康复、助老助残、工业操作等领域，为人类 提供更高效、更安全的工作方式和生活方式。
适应性分析
分析机器人在不同场景下的适应性表现，包括是否能适应不同地 形、速度变化等。
结果讨论与优化方向
结果讨论
根据实验结果，分析自平衡外骨骼机器人的优缺点，包括设计的合理性和实 用性。
优化方向
根据实验结果，提出优化建议，包括改进控制系统、增强机械结构等。
05
结论与展望
研究成果总结
通过对自平衡外骨骼机器人系统的设计和控制策略的研究，我们成功地构建了一 个具有高度自主平衡能力的外骨骼机器人。
感知与反馈
通过传感器获取穿戴者的 运动意图和姿态信息，实 现实时反馈和精确控制。
运动模式识别
利用机器学习算法识别穿 戴者的运动模式，实现自 适应控制。
外骨骼康复机器人的控制系统设计与实现
外骨骼康复机器人的控制系统设计与实现随着生活水平和医疗技术的不断提高，越来越多的人开始关注健康问题，尤其是老年人和患有肢体残疾的人群。
外骨骼康复机器人作为一种新型的康复设备，正在被越来越多的人所认识和接受。
本文将从外骨骼康复机器人控制系统的设计和实现两个方面进行探讨。
一、外骨骼康复机器人的控制系统设计外骨骼康复机器人的控制系统包括硬件和软件两个部分，在控制策略、控制模型、控制算法、机器人力学结构等方面均有着高要求。
1. 控制策略外骨骼康复机器人的控制策略需要考虑到人体的生理控制机制，同时也需要考虑到机器人本身的特点和限制。
目前常见的控制策略有位置控制、力控制和位置-力合控制。
其中位置-力合控制是目前应用最广泛、反应最快、效果最好的一种控制策略。
2. 控制模型外骨骼康复机器人的控制模型需要包括人体的肌肉模型、骨骼模型、运动学模型和动力学模型等，同时还需要考虑到各种传感器和执行器的影响。
确定好了控制模型才能更好地实现控制算法。
3. 控制算法外骨骼康复机器人的控制算法需要考虑到机器人的控制任务、控制精度和控制器的可靠性。
传统的PID算法已经无法满足当前的要求，新型的控制算法如神经网络控制、自适应控制和模糊控制等正在被逐步引入。
4. 机器人力学结构外骨骼康复机器人的力学结构需要考虑到机器人的重量、刚度、精度、稳定性和机动性等因素，并且还需要考虑到人体的舒适性和安全性。
力学结构的设计需要多学科的交叉融合，涉及到机械设计、材料科学、力学等多个方面。
二、外骨骼康复机器人的控制系统实现外骨骼康复机器人的控制系统实现需要涉及到实验设计、数据采集、软件开发等方面。
要保证实验的可重复性和结果的可靠性，需要严格按照实验设计进行操作。
1. 实验设计实验设计是外骨骼康复机器人控制系统实现的第一步，包括任务设置、实验参数和实验流程。
需要预先确定好实验的目的、前提和控制策略等，以及实验所需的各种器材和环境条件。
2. 数据采集数据采集是外骨骼康复机器人控制系统实现的重要环节。
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
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ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ
脑卒中（中风）术后会凶中枢神经受损导致患 者肢体运动功能丧失［１‘２］．手部运动障碍是脑卒中 后遗症的主要表现之一［３］．据不完全统计，在我国 由各种原因导致的手部运动功能障碍的患者有三
同时也使患者承受了沉重的财政负担．因此手部 康复机器人已经成为现代康复医学和康复工程迫 切需要解决的热点问题之一ｎ。Ｉ．目前，已有不少 高校及研究机构研制出了能够辅助患者手指进行 弯曲及伸展训练的手部康复机器人［７。９］，但其中大 部分机器人由于体积及控制方式的原因，无法为
切换控制方法，利用Ａｎｄｒｏｉｄ便携设备中的虚拟
环境诱导患者主动地进行康复训练，以提高患者 的康复效果．
机交互软件运行在手机、平板电脑等便携式设备
中，可以使患者摆脱康复环境的束缚，以实现更加 便捷、人性化的康复体验．基于ＰＣ的客户端可以
１控制系统设计
手部康复机器人控制系统由硬件系统、传感 器测量系统及基于Ａｎｄｒｏｉｄ系统的人机交互软件 组成，如图１所示．外骨骼机械手穿戴在患者手 部，并通过力传感器，角度传感器检测患者手部的 运动状态，其中力传感器通过实时检测患者施加 于外骨骼机械手末端的力以驱动机械手按照患者 的意愿进行康复运动，实现对患者的主动康复训 练；角度传感器将采集到的机械手位移通过 ＡＶＡＬＯＮ总线发送到ＵＣ／０Ｓ＾ＩＩ系统中，为外骨 骼机械手的控制提供状态参数．系统在控制外骨 骼机械手运动的同时将外骨骼各关节位移信息通 过蓝牙发送到Ａｎｄｒｏｉｄ系统虚拟环境中，以驱动
角度为口，，由一个电机单独驱动，关节２和关节３ 的角度分别为如和日。，由另一个电机驱动，这两 个关节在电机线轮处耦合，因此钢丝绳的张力联 合作用在电机的线轮之上。外骨骼机械手单手指
结构简图如图４所示，由于关节２和关节３耦合，
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；Ｉ制模块Ｊ｜析模块Ｉ：
！数据访问层 ｓＱＬ沁数据库
患者档案模块
ＴＰ２４２
文献标志码
Ａ
文章编号
１６７１—４５１２（２０１３）Ｓ卜０３２０—０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ
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Ａｎｄｒｏｉｄ ｃｏｕｌｄ １ｅａｄ ｐａｔｉｅｎｔ
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ｐａｓｓｉＶｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｗｅｒｅ ａｕｔｏ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｂｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｔｉｅｎｔ’ｓ ｈａｎｄ ａｎｄ ｅｘｏｓｋｅｌｅ—
摘要针对脑卒中患者康复需求，研制了一种外骨骼机械手控制系统．该控制系统由现场可编程门阵列 （ＦＰＧＡ）单芯片系统、传感器采集系统以及基于Ａｎｄｒｏｉｄ系统的人机交互软件组成．基于ＦＰＧＡ单芯片系统， 通过力传感器、角度传感器和编码器实时采集外骨骼机械手和患者手指的运动状态信息，并通过总线与控制 系统进行通信；采用Ａｎｄｒｏｉｄ系统人机交互软件能够诱导患者主动进行康复治疗；该控制系统可通过检测患 者手指与外骨骼机械手的接触力实现自主切换主动或被动控制策略．实验表明该系统运行稳定、与人机交互 软件间的通信可靠，能够满足患者的康复需求． 关键词外骨骼机械手；控制系统；病人康复；人机交互；现场可编程门阵列；Ａｎｄｒｏｉｄ 中图分类号
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ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｐａｔｉｅｎｔ
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ｃｏｕｌｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ
ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｖｉａ ｂｕｓ．Ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ
第４ｌ卷 ２０１３年
增刊Ｉ １０月 Ｊ．
华中科技大学学报（自然科学版）
Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉ．
Ｖ０１．４１ Ｓｕｐ。Ｉ ｏｃｔ．
２０１３
＆Ｔｅｃｈ．
（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
外骨骼机械手控制系统设计
陈宏伟 张福海 付宜利 王翔宇
（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨１５０００１）
（３）
／Ｖ、≮扩蠢磊＿
利用互联网接收和显示来自患者便携式设备中的 康复数据，为主治医生了解患者的康复情况提供 一种有力的手段． １．２传感器测量系统设计 为了满足患者主动康复训练的要求，系统须 获取外骨骼机械手的运动状态和患者施加于外骨 骼机械手的接触力，以实现在位置控制环和力控 制环对患手的精确控制．手部康复机器人传感测 量系统包括力检测和关节位置检测两大部分，其 中布置在外骨骼机械手指尖的一对力传感器能够 精确测得手指指尖相对于外骨骼机械手的相互作 用力；布置在手臂上的编码器通过检测电机的运 动状态输出相位差为９０。的两相方波信号；布置 在手套上的柔性角度传感器作用相当于数据手 套，能够实时反馈患者手部运动状态，为控制系统 提供一个绝对的参考目标，为手部功能康复机器
寸１而耐：
Ｅ面磊丽口：
角度传感器 编码器 直流电机 电机驱动
黑互
人运动控制系统中，控制外骨骼机械手按照患者 的意愿运动．与此同时，人机交互界面通过 ＲＦＣＯＭＭ通道实时接收外骨骼机械手运动控制 系统发送的各个运动关节位移，存储在由ＳＱＬｉｔｅ 建立的数据库中．患者可以通过运动的图表分析 和虚拟环境直观地了解手部的运动康复情况，主 动参与到自己的康复治疗中来．同时利用Ａｎ— ｄｒｏｉｄ便携设备优异的网络通信功能．人机交互界 面可以将患者的康复数据发送给主治医生，让医
式中：ｊ为关节下标；ｒ，为半圆形齿轮的节圆半
径；已，为反向齿轮的节圆半径；乡ｆ为关节线轮的
半径；ｆ，为关节力矩；Ｅ为作用在线轮上钢丝绳 的张力． 式（１）表示钢丝绳的张力与关节力矩之间成 线性关系，与关节角位移无关，使用钢丝绳的驱动 方式有利于关节力矩的控制效果．由于外骨骼机
械手是由三条钢丝绳进行驱动的，其中关节１的
千万，全球更是数以亿计．传统康复训练的高强
度、高重复性特点为理疗师带来极大的劳动强度
收稿日期
２０１３一０７—１０．
作者简介
基金项目
陈宏伟（１９９０一），男，硕士研究生；张福海（通信作者），讲师，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｆｈｈｉｔ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 国家自然科学基金资助项目（６１２０３３４７）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ＨＩＴ．ＮｓＲＩＦ． ２０１３０４７）；中国博士后科学基金资助项目（２０１ ３Ｍ５３１０２３）．
ｔｏｎ
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ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ
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ｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐａｔｉｅｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ ｒｏｂｏｔ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｐａｔｉｅｎｔ ｒｅｈａｂ订ｉｔａｔｉｏｎ；ｈｕｍａｎ ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙｓ（ＦＰＧＡ）；Ａｎｄｒｏｉｄ
（ＦＰＧＡ），ｓｅｎｓｏｒ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｈｕｍａｎ ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ
Ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ，ａｎｇｌｅ
ｓｅｎｓｏｒ
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Ａｎｄｒｏｉｄ ｓｙｓｔｅｍ．
ｓｔａｔｅ
ａｎｄ ｅｎｃｏｄｅｒ，ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ｃ０１ｌｅｃｔ ｍｏｔｉｏｎ
图１控制系统结构图
１．１硬件系统设计 稳定可靠的硬件系统可以保证数据的高效传 输和对系统的实时控制．基于ＦＰＧＡ的单芯片系 统，ＮｉｏｓⅡ软核通过ＡＶＡＩ，０Ｎ高速总线与底层 设备进行通信，拥有ｌｊ ４０８个逻辑单元的ＦＰＧＡ
华中科技大学学报（自然科学版）
第４１卷
生可以同步地掌握患者的康复情况，实现医患之 间的无缝沟通． 人机交互界面整体框图如图２所示，其主要 由用户交互视图层、数据访问层、虚拟现实康复训 练层和个性化康复层四个部分组成．用户交互视 图层为患者提供人性化的交互体验；数据访问层 利用通信模块实现与运动控制系统的数据交换， 为患者提供实时数据分析；虚拟现实康复训练层 通过虚拟环境中的弹钢琴动作诱导患者进行康复 训练，个性化康复层利用互联网为患者提供与主 治医生间的机械手控制系统设计
患者提供便携、人性化的康复体验．为此，哈尔滨 工业大学医工学实验室研制了一种外骨骼机械手 系统‘１
０｜．
和４ Ｍｂｉｔ的ＲＡＭ的硬件系统可以满足在Ｎｉｏｓ Ⅱ软核中嵌入ＵＣ／０孓Ⅱ操作系统，实现外骨骼 机械手实时采集传感器数据和处理手指的运动参 数的同时，满足集成度高、低功耗和便携性的设计 要求．每根手指电路由一个集成两个Ｈ桥的 Ｌ２９８Ｎ电机驱动芯片和四通道的１２ ｂｉｔ模数转 换器（Ａ／Ｄ）组成，用于实现对电机的驱动和力矩、 关节位置信号的采样；编码器信号通过高速光耦 经四倍频及判向电路发送到软核中，以获取电机 的运动参数；蓝牙接口可以与人机交互软件进行 通信，双向传输参数．基于Ａｎｄｒｏｉｄ ４．ｏ系统的人