可穿戴式下肢康复外骨骼机器人步态规划及仿真
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。
《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逐渐成为康复医学领域的重要工具。
这种机器人能够辅助患者进行康复训练，提高其行走能力。
而人机交互控制系统的设计是实现这一目标的关键。
本文将详细介绍下肢外骨骼康复机器人的人机交互控制系统的设计与实现过程。
二、系统设计目标本系统设计的主要目标是实现患者与下肢外骨骼康复机器人之间的有效交互，确保机器人在辅助患者进行康复训练时的安全性和舒适性。
同时，系统应具备智能性，能够根据患者的实际情况调整训练强度和模式，以实现最佳的康复效果。
三、系统设计原理系统设计基于人体运动学、生物力学以及机器人控制技术，结合现代计算机科学和人工智能算法，实现人机之间的信息交互和动作协同。
通过传感器获取患者的生理信息，机器人根据这些信息调整自身的运动状态，以适应患者的需求。
四、硬件设计硬件部分主要包括下肢外骨骼机器人本体、传感器、控制器等。
外骨骼机器人采用轻质材料制作，以减轻患者负担。
传感器包括压力传感器、角度传感器等，用于获取患者的生理信息和运动状态。
控制器采用高性能计算机或专用芯片，负责处理传感器信息，控制机器人的运动。
五、软件设计软件部分包括人机交互界面、控制算法、数据处理等模块。
人机交互界面采用图形化界面，便于患者和医护人员操作。
控制算法采用现代控制理论，如模糊控制、神经网络控制等，实现机器人的智能控制。
数据处理模块负责收集、分析和存储患者的生理信息和训练数据，为医生和患者提供科学的康复依据。
六、实现过程1. 系统初始化：设置机器人初始状态，确保其处于安全运行状态。
2. 传感器信息采集：通过压力传感器、角度传感器等获取患者的生理信息和运动状态。
3. 信息处理：将传感器信息传输至控制器，控制器通过算法处理这些信息，得出机器人的运动指令。
4. 机器人运动控制：根据运动指令，控制机器人进行相应的动作，实现与患者的协同运动。
下肢康复训练机器人步态规划及运动学仿真
第30卷第2期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 V o.l 30 .22009年2月Jour nal ofH arb i n Eng ineeri n g U niversity F eb .2009下肢康复训练机器人步态规划及运动学仿真张立勋,张晓超(哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:为满足神经受损患者步行康复训练需要,设计了一种具有四自由度步态机构的下肢康复训练机器人,建立了步态机构正逆运动学解析模型;为使机器人能模拟不同步态为患者提供多种训练模式,根据步行运动特征,给出了以步长,步态周期及步态时相为参数的可调步态规划方法.通过基于M atlab \Si m uli nk \SM i M echan ics 环境下的机构运动学仿真分析,验证了运动学模型的正确性以及步态规划的可行性,说明该四自由度步态训练机器人可以模拟正常人步行时的步态和脚踝运动姿态,满足患者步态训练需要.仿真结果还可用于步态机构的参数优化设计,并为后续人机控制系统研究提供必要数据和研究基础.关键词:康复机器人;步态规划;机构模型;运动学仿真中图分类号:T P24 文献标识码:A 文章编号:1006 7034(2009)02 0187 05Gait pl anni ng and ki ne m atic si m ulation for a lower li m b gait rehabilitati on robotZ HANG L i xun ,Z HANG X iao chao(Co llege o fM echanical and E lectr i ca l Eng i neer i ng ,H a rbin Eng i neering U niversity ,H arb i n 150001,Chi na)Abst ract :To satisfy training de m ands forw a l k i n g patientsw ith i m pa ired crania lnerves ,a lo w er li m b gait rehab ilita ti o n robo tw ith a 4 DOF ga itm echan is m w as designed and its k i n e m atics w as deduced based on the closed l o op vec to r m ethod.Furt h er m ore ,by ana l y zi n g the characteristics of nat u ral hu m an gai,t a gait plann i n g m ethod w as pro posed to generate vari o us ga its for the robo t that satisfy the requ ire m ents of training ,using adj u stable para m eters such as ga it stri d e ,ga it cycle ,and t h e rati o of the suppo rt peri o d or s w ay i n g peri o d to t h e ga it cycle .F i n ally ,usi n g a si m ulation envir onm ent inM atlab \S i m ulink \SM i M echan ics ,correction of k i n e m atics w as de m onstrated ,va li d ati n g t h e proposed ga it plann i n g m ethod .The si m u lati o n resu lts can also be used for opti m izi n g desi g n o f the m echan ica l para m eters w hile supp l y ing necessary data and buildi n g a theoretical f o undation for subsequen t research on t h e w ho le contr o l syste m i n vo l v i n g robo t and pa tien.tK eywords :rehab ilitati v e robo;t ga it plann i n g ;m echanicsm ode;l kine m atics si m u lation 收稿日期:2008 04 09.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:张立勋(1962 ),男,教授,博士生导师,E m ai:l z hang li xun@ .cn.下肢康复训练机器人是一种通过对患者下肢进行运动训练,促使病人恢复正常行走功能的的自动化医疗设备,适用于下肢偏瘫、腿外伤、脊柱外伤等腿部运动功能障碍患者.一般由步态控制机构,重心调整机构和重力平衡机构组成.各个机构协调运动,模拟人的行走状态,其中,步态机构带动患者脚部运动,实现步行时脚部的运动特征,包括脚的运动轨迹,脚的姿态等,从而避免了过去患者在电动踏步机上训练时,必须由护理人员协助患者的腿步或脚步运动;在减轻护理人员的劳动强度的同时,可提高患者训练的连续性,持续性和科学性[1].德国自由大学研制的名为MGT 型康复机器人模型,其步态机构采用的是一种两自由度双曲柄摇杆机构[2 3];瑞士苏黎世联邦工业大学研制的LOKOMAT 的康复机器人模型采用一种主动式步态矫正装置(driven ga it orthosis ,DGO)带动患者的腿步在踏步机上训练[4];德国FRANHOFER I NSTI TUT I PK 研究所提出采用绳驱系统来实现步态运动[5].MGT 机构设计十分简单,但是由于脚踏板的位姿是由一个自由度确定的,足部的位姿协调与正常步态有一定差距,Loko m at是比较成熟的步态康复训练机器人,驱动双侧髋膝关节4个自由度,实现辅助人在跑步机步态训练.这些方案的优点是结构简单,易于控制,但是由于基于各种人体易化模型,机器人自由度少,步态训练时,患者的一些重要关节运动得不到训练或者纠正.该文以12自由度人体模型为研究对象,由运动学分析可知当上体(假设骨盆躯干为一体)位姿和双足位姿确定,即可确定双腿的运动,即确定髋膝踝关节的运动.因此文中下肢康复训练机器人采用四自由度双足步态机器人和六自由度骨盆机器人两部分构成.其中双足步态机器人系统用于带动患者双脚实现往复步态运动训练过程中脚部的运动,包括类椭圆轨迹步态运动和脚的姿态运动.1 四自由度往复步态机构步态机构采用双侧各单独驱动,并通过规划步态位姿实现步速、步态时相可调的双侧协调步态.四自由度步态机构原理见图1,单侧2自由度.该机构可分为2部分:步态机构和脚姿态机构.步态机构由曲柄1,连杆2,滚轮8,地面支撑7构成,相当于曲柄滑块机构;曲柄转动一周,与连杆2铰接的脚踏板6的回转中心相应走过一个类椭圆轨迹.适当地选择机构参数,可实现模拟往复行走运动轨迹;通过规划两侧主动曲柄运动,实现两侧脚踏板的协调运动.姿态机构由丝杠5,螺母4,连杆3,脚踏板6组成,连杆间铰链连接.丝杠往复运动,可实现脚踏板相对水平方向的摆动,用于模拟步行过程中脚的姿态.协调丝杠与曲柄的运动关系,可模拟和调节人在步态周期中脚的位置和姿态间的动态关系.1-曲柄,2-连杆,3-连杆,4-螺母,5-丝杠,6-脚踏板,7-支撑,8-滚轮图1 步态机器人机构原理图F i g 1 Ske tch of the 4 DO F ga it m echan ics2 机构运动学模型基于闭环矢量法分别建立步态机构和姿态机构的运动学方程.2 1 正运动学模型以左侧为例,步态机构和姿态机构的坐标系设置、闭环矢量如图2所示.其中,步态机构以基础系{o}为参考系;姿态机构以与连杆2上固联坐标系{x 2'o f y 2'}为参考系,o f 为脚踏板回转中心.图2 机构闭环矢量图F i g 2 Sketch of c l o sed loop vector diagra m列写闭环矢量方程:R 1+R 2=R 3,R 1+R 2=R 4,R 5+R 6+R 7=R 8+R 9.将此矢量分解到x 和y 坐标轴上,得到l 1cos 1L +l 2co s 2L =r 3xL ,l 1sin 1L +l 2si n 2L =h,l 1cos 1L +l 3co s 2L =p xL ,l 1sin 1L +l 3si n 2L =p yL ,l 5cos 5L +l 6co s 6L +l 7cos 7L =-l 8,l 5sin 5L +l 6si n 6L +l 7sin 7L =-l 4.(1)式中: iL (i =1,2,!,7)为矢量R i 的矢量角,当i ∀4时, iL 定义为从x 轴指向该矢量;当i >4时, iL 定义为从x 2'轴指向该矢量,规定逆时针方向为正,且- ∀ iL ∀.另外由图中可知 6L = 5L -2,且根据步行时脚与地面夹角的实际情况,限定- /2< 7L < /2.代(1),得cos 1L+l 31-[(h -l 1si n 1L )/l 2]2,h /l 2+l 1(l 2-l 3)/l 2si n 1L ,arcsinh -l 1si n 1Ll 2,(2)#188#哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第30卷式中:k1L=l8(l82+l42-l52-l6L2+l72),k2=2l7(l28+l24),k3L=4l27(l25+l6L2).则fL=arcsi n h-l1sin 1l2+arcsi n[(k1L+l4k3L-k1L2)/k2].(3)式(2)、(3)为左侧步态机构位置正解.同理可得右侧步态和姿态机构位置正解为p xR=l1co s 1R+l31-h-l1si n 1Rl22,p yR=l3hl2+l1(l2-l3)l2si n 1R,fR=arcsin h-l1sin 1Rl2+arcsin[(k1R+l4k3R-k21R)/k2].(4)式中:k1R=l8(l28+l24-l25-l26R+l27),k3R=4l27(l25+l6R2).将式(1)中第1、2行两边对时间求导数,解方程,并写成矩阵形式,有2L r3xL =1L-l1cos 1L sec 2Ll2-l1sin1L+l1cos 1tan 2L.(5)将式(1)中第3、4行两边对时间求导,并将式(5)代入,得左侧步态机构的速度方程正解:p xLp yL=1Ll1l3/l2cos 1L tan 2L-l1si n 1L(l1-l1l3/l2)cos 1L.(6)同理,右侧步态机构速度方程正解:p xRp yR=1Rl1l3/l2cos 1R tan 2R-l1sin 1R(l1-l1l3/l2)co s 1R.(7)2 2 逆运动学模型由式(2)、(4)可得步态机构速度逆解1L=p xLl1l3/l2cos 1L tan 2L-l1si n 1L,1R=p xRl1l3/l2co s 1R tan 2R-l1si n 1R.(8)根据式(3)、(4)可解得姿态机构的逆解为l6L=M-2l8l4co s 7L+2l8x l4sin 7L,l6R=M-2l8l4cos 7R+2l8l4sin 7R.(9)式中:M=l82+l42+l7227L= fL-7R= fR-3 下肢康复训练机器人步态规划方法为实现康复训练,需要对该四自由度步态机器人进行步态规划,使其能模拟不同步长步速情况下人的步态运动,以满足步行康复训练需要.机器人模拟的是往复步态运动,与正常行走步态特征类似[6],一个步态周期由单脚支撑期和双脚支撑期组成,左右脚在矢状面内的时空运动特性如图3所示,其中t s为单脚单支撑期,t d为单脚双支撑期.椭圆的上半部分模拟摆动脚的运动,下半部分模拟支撑脚的运动.双脚间位置和姿态的协调关系是:在时刻1∃时刻2时间段,整个步态处于单支撑期,右脚支撑,左脚经历整个摆动过程,进入时刻2∃时刻3时间段,左脚也进入支撑,步态进入双支撑期,至时刻3时,右脚脚跟已充分抬起,脚尖欲离地;进入时刻3∃时刻4时间段,步态再次进入单支撑期,只不过换作右脚摆动,左脚支撑,至4点,右脚脚跟开始着地,步态再次进入双支撑期,直至进入1时刻,左脚脚跟充分抬起,脚尖欲离地,开始进入下一个步态周期.图3中左右脚的姿态箭头,起点表示脚跟,终点表示脚尖.根据对人在跑步机脚的姿态的检测数据,在一个步态周期中,协调规律如下:整个支撑期,由支撑脚脚跟着地,放平,至脚跟抬起,脚尖欲离地转后变为摆动脚,摆动脚由脚尖向下至放平到向上,脚跟欲着地重新变为支撑脚,且最大正倾角发生在脚跟接触地面,欲进入支撑时刻,最大负倾角发生在脚尖欲离地进入摆动期时刻,脚的姿态与步态相位近似呈余弦关系.图3 往复步态时空特性F i g.3 T he schem atic d i agra m o f ga i t cy cle由于步态轨迹已由机构尺寸确定,考虑左右对称且左右脚的运动只差180%相位,故只需规划一侧脚的水平速度和姿态即可.人体运动速度往往具有#189#第2期 张立勋,等:下肢康复训练机器人步态规划及运动学仿真钟形曲线的特点,对往复步态来说,无论在支撑期还是摆动期都经历从零加速、减速至零的过程,在椭圆轨迹端点处速度为零,即脚跟着地和脚尖抬起时水平速度为零,另外为保证无冲击步态,此刻加速度也应为零,故而一个步态周期中脚的水平速度可按照加减速段用正弦函数模拟,以左脚为例,摆动期如式(10),支撑期如式(11).p xL(S,T,t)=V1 21+sin tt1-2(0∀t<t1), V1 (t1∀t<t2),V1 21+sint s-tt s-t2-2(t2∀t<t s).(10)p xL(S,T,t)=-V221+sin t-t st d-2(ts∀t<ts+td), -V2 (t s+t d∀t<2t s+t d),-V221+si n T-tt d-2(2t s+t d∀t∀T).(11)式中:V1=2S/(t s+t2-t1);V2=2S/T,T为步态周期,S为步长,t s为摆动期,t d为双支撑期.对式(10)和式(11)积分可得到左脚在一个步态周期中的位移轨迹.右脚的速度及位移轨迹可通过对左脚相应曲线移位1/2个步态周期获得.根据机构原理,曲柄转过一周,则完成一个步态周期,因此曲柄的转角可以用来表示步态的相位.根据脚的姿态与步态相位间的近似余弦关系, s max为摆动脚最大负倾角; d max为支撑脚最大正倾角,则在一个步态周期中,脚的姿态可规划为fL(R)(S,T,t)=A+B s max cos 1L(R).(12)式中:A=( s max+ d max)/2,B=( d max- s max)/2.改变式(10)、(11)和(12)中的S、T、t s、t d、t1、t2、 s max、 d max等参数可模拟具有不同运动特征的往复步态运动.这里,设初始时刻(t=0),脚踏板的初始状态为左踏板位置位于1点,右踏板位于4点,踏板速度为零.为使2个踏板进入协调状态,先令左踏板不动,右踏板由初始位置运动时间t d,至1点,然后启动左踏板,自此双踏板进入协调运动状态.按照正常人的步态时相特征,摆动期占整个步态周期的40%,支撑期占整个周期的60%,其中单个双支撑期为10%,取S=520mm,T=1s,t s=0.4T,t d= 0 1T,t1=016s,t2=0.24s, s max=-30%, d max=30%,则规划的脚踏板水平速度p xL,p xR,姿态角 fL, fR如下图4、5示.图4 脚踏板水平速度规划曲线F i g.4 T he hor i zont a l ve l oc i ty plann i ng curves o f the f ootplates图5 脚踏板姿态规划曲线F i g.5 T he pose p l ann i ng curves o f footp l ates4 下肢康复训练机器人运动学分析为验证运动学解析模型的正确性以及步态规划的可行性,基于m atlab/Si m ulink仿真环境及其下的机构仿真工具S i m M echanics[7],对该四自由度双足步态机器进行了运动学仿真研究,仿真流程如图6所示.首先根据逆运动学公式,在si m ulink下建立逆运动学模块,将规划好的末端双足位姿转化为曲柄丝杠运动信号,然后输入基于SM i echnics下建立的机构正运动学仿真模型,并根据正运动学方程,为模型初始位姿赋值.仿真结果如图7~11所示.其中图7~8为逆运动学仿真输出的曲柄及丝杠运动信号.图9~11为从Si m M echan ics正运动学机构模型传感器取出的脚踏板运动信号.将图9与图4,图10与图5比较,可见由机构模型输出的结果与规划一致,证明运动学模型的正确性.图11为往复步态椭圆轨迹.值得指出的是该仿真模型还可方便地转化为动力学模型,用于控制器设计和动力学问题分析.#190#哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第30卷图6 仿真流程图F i g.6 The si m ulati on flo w chart图7 左右曲柄转速曲线F ig .7 The angular ve l oc ity curves o fcranks图8 左右丝杠位移曲线F ig .8 The displace m ent cu rves o f thescrews图9 左右脚踏板水平速度仿真曲线F ig .9 The horizonta l ve l ocity curves o f foo t p l ates i n sm i ulation图11 步态椭圆轨迹图F i g .11 The e lli pse l o cus o f reciprocati ng ga it5 结束语运动学仿真分析表明,提出的下肢康复训练机器人四自由度步态机构能够实现具有不同特征的往复步态运动,能根据训练要求提供可调步长,步态周期,步态时相的训练步态.提出的步态规划方法避免了基于测量数据确定机器人运动造成的步态单一,不可调,适应能力差等缺点,该方法对仿人机器人的足部运动规划亦有借鉴作用.仿真结果还可用于步态机构的参数优化设计,并为后续整个人机控制系统研究提供必要数据和研究基础.参考文献:[1]王耀兵,季林红,王广志,等.脑神经康复机器人研究的进展与前景[J].中国康复医学杂志,2003,18(4):230231.WANG Y aob i ng ,JI 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穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计
穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计DesignXXX of the robot。
as well as the key issues in the design process。
were analyzed based on its n and working principle。
nics was used to design the degree of freedom。
range of n。
and link size of the exoskeleton robot。
XXX research。
analysis。
and design.XXX: XXX。
XXX。
nics。
XXX.穿戴式下肢外骨骼康复机器人是一种带有助力功能的外骨骼装置，被穿戴在患者的下肢外部。
除了提供助力、保护和身体支撑等功能外，它还融合了传感、控制、信息获取和移动计算等机器人技术，使得机器人能够在患者的无意识控制下完成助力行走等任务，是一个典型的人机一体化系统。
在医学领域，许多机构正在积极投入研究，如XXX的eLEGS、XXX的HAL系列下肢外骨骼机器人、XXX的“动力辅助服”PAS和以色列的rewalk助走器等。
本文设计的穿戴式下肢外骨骼康复机器人主要用于截瘫、踝部以上部位下肢手术患者以及骨关节炎患者的康复治疗。
对于截瘫患者，它能够与患者实现人机结合，以正确的助力方式带动病人进行类正常人的行走，从而协助患者迅速康复。
对于踝部以上部位下肢手术患者，外骨骼机器人可用于手术后下肢体的运动康复，加快患者下肢肌肉运动能力的恢复。
对于骨关节炎患者，外骨骼机器人可以通过助力减轻行走过程中膝关节的疼痛感。
穿戴式下肢外骨骼康复机器人的工作原理是通过符合或跟随人节拍的适当转矩、驱动机器人髋、膝、踝关节转动，从而在穿戴者腿部绑带及足部产生相应的助行力，实施了对患者的康复助行。
设计中的关键问题是在实现目标功能的基础上，充分考虑轻量化、集成小型化、穿戴方便和快速可调的原则。
下肢外骨骼康复机器人设计及运动学分析
下肢外骨骼康复机器人设计及运动学分析摘要：下肢运动功能障碍患者为数众多，常规的康复训练高度依赖理疗师，成本昂贵，常人难以承受。
下肢外骨骼康复机器人能有效解决这一社会问题。
本文设计了一个单腿两自由度主动驱动的下肢外骨骼康复机器人。
采用两个直线驱动器分别驱动髋关节和膝关节的运动，直线驱动器末端安装有力传感器，通过时时检测人-机作用力实现机器人的柔顺控制。
本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。
仿真结果表明该下肢外骨骼康复机器人具备辅助病人的能力。
关键词：下肢外骨骼，柔顺控制，轨迹规划0 引言随着人口老龄化的发展，脑卒中，骨关节炎等老龄化疾病患者数量逐渐增加。
这类患者往往患有各种致残的疾病，丧失正常的运动能力[1]。
在这样的时代背景下，未来社会对康复医疗的需求将越来越迫切。
下肢外骨骼机器人将为解决这一社会问题发挥重要的作用。
近年来，国内外众多研究机构对康复机器人开展了深入的研究。
在台架式下肢外骨骼康复机器人研究方面，瑞士HOCOMA公司和瑞士苏黎世联邦理工大学共同研制的Lokomat外骨骼康复机器人，它髋关节和膝关节各采用一个直线电机进行驱动，单腿具有两个自由度，双腿四个自由度。
该机器人在轨迹控制的基础上采用了阻抗控制的方式，具有很好的实用性和用户体验[2-4]。
哥伦比亚大学研发的ALEX，除了单腿的四个自由度之外，骨盆上还具有四个自由度，机器人总共具有十二个自由度，它将电机放在下肢外骨骼后方,采用带轮等实现电机远端驱动，有效地降低了机器人运动部件的惯量，该机器人采取将切向力和法向力作用在患者的踝关节的方式,切向力帮助患者按照轨迹移动,法向力用于调整踝关节轨迹的法向运动阻碍[5]。
荷兰屯特大学研发的LOPES，该机器人采用绳驱动的方式，单腿有四个自由度，除了髋关节和膝关节在矢状面上的各一个旋转自由度外，还增加了骨盆的移动和髋关节的内收外展运动。
该机器人同时具有两种不同的控制模式，分别为机器人主动和患者主动，充分考虑到了不同人的行走能力，能根据患者的实际需要提供必要的辅助[6]. 瑞士洛桑理工大学研制的WalkTrainer，它髋关节，膝关节，踝关节各一个自由度，单腿具有3个自由度，同时骨盆具有6个自由度，机器人总共有12个自由度。
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。
下肢外骨骼机器人结构设计和动力学仿真_杨宗林
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（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009）来稿日期：2015-07-09作者简介：杨宗林，（1991-），女，安徽六安人，硕士研究生，主要研究方向：机器人。
1引言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。
但是仿人步态规划建模和动力学仿真是个问题。
现国内外的外骨骼机器人（像美国加州大学伯克利分校的BLEEX 系统[7]，中科院的外骨骼机器人）在结构设计阶段的动力学仿真所用的运动轨迹，是将机构简化计算出来的。
这种方法太过理论化，没有实际应用意义。
为此，EXO-P 采用了NDI 三维动态测量方法。
进行仿人步态规划建模，在此基础上，对规划的步态进行动力学仿真，并得到了结果，切实解决了伺服电缸选型的实际问题。
2结构设计2.1自由度的分配在人体骨骼系统研究的基础上，设计出可穿戴外骨骼机器人的自由度分配，如图1所示。
其中，髋关节和踝关节具有屈曲/伸展、转动和外展/内收三个自由度，膝关节具有屈/伸自由度，脚踝有屈曲/伸展，屈曲/伸展两自由度。
脚底为橡胶，可弯曲。
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。
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
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。
移动式下肢外骨骼康复机器人机构设计和轨迹跟踪控制研究
随着技术的不断进步，移动式下 肢外骨骼康复机器人有望在未来 成为一种重要的医疗设备，为患
者带来更多的治疗选择。
06
参考文献
参考文献
参考文献1
1
2
标题：基于动力学的轨迹跟踪控制研究
作者：张三、李四、王五
3
感谢您的观看
THANKS
研究目的
本研究的目的是设计一种移动式下肢外骨骼康复机器人，能够辅助患者进行下肢 运动训练，提高患者的运动能力和生活质量。
机构组成和特点
机构组成：移动式下肢外骨骼康复机器人主要由 机械结构、驱动系统、控制系统和传感器系统组 成。
特点
1. 轻量化设计：为了方便患者使用，整体结构采用 轻量化材料，如碳纤维和铝合金，以降低重量和能 耗。
结构设计
设计思路
根据人体下肢运动特点和生物 力学原理，结合康复医学和机 械设计理论，进行移动式下肢 外骨骼康复机器人的结构设计
。
主要结构
包括髋关节、膝关节、踝关节和 脚部结构，每个关节都设有相应 的驱动系统和传感器。
关键技术
采用了轻量化材料、可定制化设计 、高度机动性、智能化控制等关键 技术，以提高机器人的性能和患者 的使用体验。
结果分析
对实验结果进行分析和评估，包括误差、响应时间、稳定性等方面，并根据分析结果对控制系统进行调整和优 化。
04
实验与测试
实验设备与测试环境
实验设备
下肢外骨骼机器人、传感器、驱动器、控制器等。
测试环境
实验室、康复中心等室内环境，以及公园、楼梯等室外环境。
实验方法与步骤
1. 机构设计
首先进行下肢外骨骼机器人机构设 计，包括腿部机构、腰部机构、背 部机构等。
下肢外骨骼机器人变步长步态规划方法
摘 要： 为了解决下肢外骨骼机器人连续步态规划问题，基于倒立摆模型提出了一种步态规划算法，并针
对传统倒立摆模型无法变步长连续行走的问题提出了新的改进方法。将外骨骼机器人分成支撑腿和摆动
Abstract： In order to solve problem of continuous gait planning of lower limb exoskeleton robot，a gait planning algorithm based on the inverted pendulum model is proposed，and a new improved method is proposed for the traditional inverted pendulum model which can not change the step size continuous walking problem． First of all， the exoskeleton robot is divided into two parts，which are supporting leg and swinging leg，respectively using D-H method for kinematics analysis； using inverted pendulum model and fixed function method for equivalent centroid and swing leg end trajectory planning； insert double feet support phase between adjacent single foot support phase， which makes the lower extremity exoskeleton robot，switch position and velocity using double feet support phase while changing walking，to achieve real-time gait planning． Finally，the plan algorithm is implemented in SIMULINK，and joint simulation is carried out with ADAMS model，the lower extremity exoskeleton robot walks stably in the simulation environment，it is proved that the algorithm is effective． Keywords： lower limb exoskeleton； kinematics； gait planning
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
穿戴式下肢外骨骼机器人的结构设计与仿真_孙明艳
图 6 虚拟样机模型
表 1 髋、膝、踝关节输入输出角度 偏差函数的情况
关节
右髋关节 左髋关节 右膝关节 左膝关节 右踝关节 左踝关节
最大幅值 26.85 21.1 0.113 0.104 88.77 99.57
偏差函数 均值 -26.85 21.06 -0.031 -0.025 -88.77 -99.57
外骨骼机器人整体结构如图 1 所示，其中 腰带结构 1 用以模拟人体大腿与髋部的连接形 式，来满足人在运动过程中机械结构的自由度 要求；大腿杆 3 用以连接髋关节和膝关节；膝 关节 4 采用四杆机构替代传统的单自由度的转 动副结构；小腿杆 5 用以连接膝关节和踝关节。
其中膝关节设计采用四连杆结构，通过优 化可以使四杆机构的瞬心轨迹与人体膝关节瞬 心轨迹接近，从而达到外骨骼与人体协调性较 好的目的。许多文献都曾报道过四杆机构膝关 节的具体设计和优化，在此直接参考文献中的 具体尺寸，如图 2 所示，其中 LAB＝58.1，LBC ＝49.5，LCD＝50.2，LDA＝32.6，α＝25.52，θ4 ＝26[10]。
外骨骼机器人，是一种可供人体穿戴的人 机一体化的智能机械装置[1]。利用它不仅可以 增强士兵的负重能力、跑跳能力、肢体力量、 以及防护能力，从而全面提高士兵的野外作战 水平，还能使士兵在车辆不能到达的复杂地形 条件下完成长途跋涉和侦察工作，因而具有广
泛的军事应用前景[2]。近年来该领域的研究受 到了广泛的重视，许多国家着眼于未来战争的 需要，都在积极投入研制。目前，美国在这方 面的研究走在了世界前列。先后研制了针对单 兵使用的代号为 BLEEX、HULC、XOS、XOS2、 XOS3 等外骨骼机器人，其中 HULC 系统已经
状面内腿和脚的运动，其他不考虑。结果是： 髋关节，膝关节，踝关节各设置一个自由度， 可实现大腿、小腿和脚的屈伸。
步行康复训练机器人助行腿的步态规划与运动控制
考虑双腿之间的协同运动，建立 双腿步态模型，描述左右腿在行 走过程中的协调关系。
基于生物力学模型的步态规划方法
生物力学模型建立
根据人体行走时的生物力学特征 ，建立生物力学模型，用于模拟
人体行走过程。
逆向运动学
利用逆向运动学方法，根据目标 步态和人体模型的参数，计算出 各关节角度和速度等参数，实现
本文的研究成果对于提高步行康复训练机器人的性能 和实用性具有重要意义，并为进一步的研究提供了有 价值的参考。
研究成果与应用前景
本文的研究成果主要包括
1. 提出了一种基于动力学的步态规划方法，该方法考虑了人体行走的动力学特性和 生物力学特征，能够实现稳定、自然的步态。
2. 提出了一种基于模型预测控制的运动控制策略，该策略考虑了助行腿的机械特性 和行走过程中的不确定性因素，能够实现对助行腿的精确控制。
05
结论与展望
研究工作总结
研究结果表明，所提出的步态规划方法能够实现稳定 、自然的步态，并且可以适应不同的行走环境和任务 需求。而所提出的运动控制策略则可以实现对助行腿 的精确控制，并具有良好的动态性能和鲁棒性。
本文主要研究了步行康复训练机器人助行腿的步态规 划与运动控制问题，通过对现有研究成果的梳理和评 价，提出了基于动力学的步态规划方法和基于模型预 测控制的运动控制策略，并进行了实验验证。
动力学模型。
然后，基于模型预测控制方法 ，设计助行腿的步态规划算法 ，实现稳定行走和舒适行走的 控制目标。
最后，通过实验验证助行腿的 步态规划与运动控制算法的有 效性和可行性。
02
步行康复训练机器人助行腿的步 态规划
步态规划的基本原理
人体步态分析
对人体行走过程中各个阶段的步 态进行详细分析，包括支撑相和 摆动相两个阶段，以及各阶段的
可穿戴下肢外骨骼总体方案设计
人体在正常步态运动中两侧下肢为相对中心对称关系，所
以在分析时可以只考虑单侧下肢。本小节以右侧下肢为例，进 行运动轨迹方程求解。［１０］式中 ｌ３，ｌ４ 均为常值，θ１，θ２，θ３ 为旋转 角度，随着时间 ｔ变化而变化，ｃ代表 ｃｏｓ，ｓ均代表 ｓｉｎ，α、β、γ
分别代表对应 Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的旋转角度。
下肢外骨骼总共有 ３个关节组件：髋关节、膝关节和踝关 节。每个关节的运动和受力情况都能对人体产生影响。本文
将针对人体下肢，进行外骨骼的整体方案设计。 人体步态分析
我们通常把一个健康的成年人感觉最舒适、自如的行走姿 态叫做人体步态。他是成年人体最基本的运动状态。人体下 肢一侧的脚跟接触地面到同侧脚跟下一次接触地面之间的运 动时间叫做一个步态周期 。 ［４－５］ 步态运动的各个时期如图 １ 所示：我们把一侧脚跟接触地面到脚尖离开地面的过程叫做支 撑相，约占整个周期的 ３／５；把一侧脚尖离开地面到同侧脚跟 接触地面的过程叫做摆动项，约占整个周期的 ２／５［６］。
通常在进行人体各关节运动研究时，要对人体基本参考系 进行研究。在医学研究和体育学中常用的参考系如图 ２所示。 整个参考系由失状轴、冠状轴、垂直轴 ３个轴组成，同时具有冠 状面、矢状面和横断面 ３个平面。人体各个关节的运动形式， 可以大致分为屈伸运动、收展运动和旋转运动 ３种 。 ［７］
如图 ３所示，参与人体下肢运动的关节有很多，而且大多 数是多自由度关节。设计时下肢有些部位也存在一些少动或 不动关节，这些关节只具备少量的调节功能，所以在外骨骼简 化设计中只考虑髋关节、膝关节和踝关节。 ２．２ 人体下肢运动学分析
节中的的位置０１Ｐ＝［０ －ｌ００］Ｔ，所以小腿连杆对应膝关节中心 的位置为：
技术与市场 ２０２０年 第２７卷 第２期
一种可穿戴式下肢康复训练外骨骼机器人[实用新型专利]
![一种可穿戴式下肢康复训练外骨骼机器人[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c137fce0250c844769eae009581b6bd97f19bcd7.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201720724625.1(22)申请日 2017.06.21(73)专利权人 上海傅利叶智能科技有限公司地址 201203 上海市浦东新区华佗路68号11号楼1楼(72)发明人 徐振华 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限公司 11227代理人 罗满(51)Int.Cl.A61H 3/00(2006.01)A61H 1/02(2006.01)(54)实用新型名称一种可穿戴式下肢康复训练外骨骼机器人(57)摘要本实用新型公开一种可穿戴式下肢康复训练外骨骼机器人，包括可穿戴的背板、可拆卸地设置于背板底部的连接件、与连接件的末端转动连接的髋关节运动机构、与髋关节运动机构的末端转动连接的膝关节运动机构，以及与膝关节运动机构的末端转动连接的踝关节运动机构；髋关节运动机构的内侧壁上设置有用于固定患者大腿部位的第一绑带，膝关节运动机构的内侧壁上设置有用于固定患者小腿部位的第二绑带，踝关节运动机构上设置有用于支撑患者脚掌的支撑板。
如此，本实用新型中的髋关节运动机构、膝关节运动机构、踝关节运动机构三者的共同配合运动，几乎覆盖了正常人体下肢运动的所有运动机能，同步带动患者的下肢进行运动后，即可提高康复训练效果。
权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 207734337 U 2018.08.17C N 207734337U1.一种可穿戴式下肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于，包括可穿戴的背板(1)、可拆卸地设置于所述背板(1)底部的连接件(2)、与所述连接件的末端转动连接的髋关节运动机构(3)、与所述髋关节运动机构(3)的末端转动连接的膝关节运动机构(4)，以及与所述膝关节运动机构(4)的末端转动连接的踝关节运动机构(5)；所述髋关节运动机构(3)的内侧壁上设置有用于固定患者大腿部位的第一绑带(6)，所述膝关节运动机构(4)的内侧壁上设置有用于固定患者小腿部位的第二绑带(7)，所述踝关节运动机构(5)上设置有用于支撑患者脚掌的支撑板(8)。