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
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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
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 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 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 Ａ ＤＡ ＭＳ虚
沈
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化
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大
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（ 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 ９ ０ 。 ；
（ 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 ＝Ｖ Ｃ Ｏ Ｓ ； ｖ ＝ｖ ｓ ｉ ｎ ０ ．
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 １ １ ０ １ ４ ２ ； ２ ． 沈阳工业 大学 电气工程学院 ， 辽宁 沈 阳 １ １ ０ ８ ７ ０ ） 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 ：
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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坐卧式下肢康复机器人机构设计及人机系统动力学模型辨识的开题报告
坐卧式下肢康复机器人机构设计及人机系统动力学模型辨识的开题报告第一部分：选题背景及研究意义坐卧式下肢康复机器人已经广泛应用于临床，可以有效地辅助患者进行下肢康复训练。
机器人的机构设计和控制系统对于机器人的性能和康复效果起着至关重要的作用。
因此，对机器人机构进行优化设计和人机系统动力学模型辨识的研究具有重要的理论和实践意义。
本文旨在通过研究坐卧式下肢康复机器人机构设计和人机系统动力学模型辨识，探讨机器人机构设计和控制系统的优化方法，提高机器人的康复训练效果，促进机器人在临床康复领域的应用。
第二部分：研究内容及方法本文将围绕以下研究内容进行深入探讨：1. 坐卧式下肢康复机器人机构设计：对机器人机构进行优化设计和性能分析，包括机器人关节的结构形式和参数选取、机器人运动学分析和仿真等。
2. 人机系统动力学模型辨识：通过对机器人康复训练系统进行力学建模和数据采集分析，辨识机器人的动力学模型，包括关节刚度、惯性、摩擦等参数。
3. 坐卧式下肢康复机器人控制方法研究：针对机器人的运动特性和关节的受控对象，设计控制算法，实现对机器人的自适应、精准和安全的控制。
本文主要采用以下研究方法：1. 理论分析法：通过对机器人运动学、动力学、控制理论等进行理论分析，设计机器人的控制算法和优化机构结构。
2. 数值仿真法：采用MATLAB/Simulink等软件进行数值仿真分析，模拟机器人康复训练过程中的运动状态和关节反应，并且实现模型辨识和控制算法的有效性验证。
3. 实验研究法：设计实验平台，进行机器人康复训练实验，采集实验数据，分析算法的有效性和机器人康复训练效果。
第三部分：预期目标通过本文的研究，期望实现以下目标：1. 设计优化坐卧式下肢康复机器人的机构结构，提高机器人的运动灵活性和稳定性。
2. 辨识坐卧式下肢康复机器人的关节动力学模型，提高机器人的运动精度和控制效果。
3. 实现坐卧式下肢康复机器人的自适应、精准和安全的控制，提高机器人康复训练的效果和适应性。
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。
下肢康复训练机器人腰部机构建模与运动学仿真研究
下肢康复训练机器人腰部机构建模与运动学仿真研究
下肢康复训练机器人是一种通过运动康复治疗的机器人。
为了保证机器人的运动安全和康复效果，需要进行腰部机构建模以及运动学仿真研究。
腰部机构建模是指对机器人的腰部结构进行建模，并确定机器人腰部各个部分的运动学参数。
对于下肢康复训练机器人，腰部结构包括：腰椎、骨盆、脊柱等部分。
这些部分的运动学参数将决定机器人的具体动作方式以及康复效果。
因此，在机器人设计的初期，需要对腰部结构进行详细的建模分析，以保证机器人的运动安全和康复效果。
运动学仿真研究是指通过计算机模拟的方式来分析机器人腰部的运动学行为。
这种方法可以有效地降低机器人设计的成本和风险，并且可以提高机器人运动学参数的精度和准确性。
通过仿真研究，可以调整机器人的设计参数，使其更符合康复需求。
在进行下肢康复训练机器人腰部机构建模与运动学仿真研究时，需要注意以下几点：
1. 建模过程中需要考虑运动学参数的准确性和实际性，避免出现误差。
2. 仿真分析时，需要对仿真过程的计算精度进行合理的控制，以避免出现对机器人腰部运动学参数和运动行为的误判。
3. 需要在仿真分析的基础上，结合康复需求，对机器人腰部设
计参数进行优化。
这样可以在保证机器人运动安全的前提下，提高机器人的康复效果。
通过对下肢康复训练机器人腰部机构建模与运动学仿真研究，可以提高机器人的康复效果和运动安全性，为下肢康复训练机器人的研发提供技术支持。
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。
人体下肢动力外骨骼模型的研究
人体下肢动力外骨骼模型的研究人体下肢动力外骨骼模型的研究近年来，随着人工智能和机器人技术的迅速发展，人体下肢动力外骨骼逐渐成为一个备受关注的研究领域。
人体下肢动力外骨骼是一种通过智能机器人技术和力学原理来辅助行走和运动的装置，被广泛应用于康复训练和辅助行动障碍者的生活。
本文将对人体下肢动力外骨骼模型的研究进行探讨。
首先，人体下肢动力外骨骼模型的研究对于改善生活质量和恢复行动能力的重要性不言而喻。
在理解人体运动机制的基础上，研究者们设计出了各种各样的外骨骼模型，旨在通过通过传感器和控制算法来模拟人体运动，从而实现对下肢的运动控制。
这些模型可以根据个体的不同需求进行定制，为使用者提供个性化的辅助行动。
其次，人体下肢动力外骨骼模型的研究涉及到多个关键技术的研发和应用。
首先是感知技术，通过传感器来感知使用者的运动意图和环境信息，实现外骨骼对使用者的准确控制。
同时，研究者们还开发了足底传感器、力矩传感器等用于测量地面反作用力和关节力矩的技术，以更好地模拟人体肌肉的运动。
另外，人体下肢动力外骨骼模型的研究还探索了多种控制算法来实现对外骨骼的精确控制。
例如，基于模型预测控制的算法可以预测使用者的运动意图，并实时调节外骨骼的助力和刚度参数以提供最佳恢复效果。
此外，研究者们还采用了神经网络和深度学习等先进的人工智能技术来实现对外骨骼的智能控制。
在人体下肢动力外骨骼模型的研究中，还有一个重要的课题是设计轻量、紧凑的机械结构。
由于需要与人体肌骨结合，外骨骼的重量和体积必须尽可能小，以便使用者能够自由行动。
研究者们通过材料选择、结构优化等手段，大大减轻了外骨骼的负重，提高了穿戴舒适度。
此外，还有一些研究者通过采用柔性材料和人体仿生设计的方法来模拟人体的运动，更好地适应人体的形态。
最后，人体下肢动力外骨骼模型的研究还面临着一些挑战和难题。
首先是与人体的协同性问题，即外骨骼在辅助行动时需要与使用者的肌骨有良好的接触和协同性。
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 )
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
下肢康复机器人的设计与仿真分析
Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂｓ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｗａｎｇ Ｙｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｙｉｎｇ，Ｌｉｕ Ｚｈｅｎｇｓｈｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，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
外骨骼型下肢康复机器人结构设计与动力学分析_史小华
技术指标 20～100 –90～20 –20～60 100～150 0～110 50～1 000 0～100
， 德 国 的 LokoHelp
[7]
[5]
、美国的
Litegait 和 Robomedica 。 这类康复训练机器人一 般包括步行矫正器、体重支撑系统(悬挂装置)和步 行台，主要用于患者中期和后期的步态康复训练， 具有较好的医疗效果。但患者躯干被束缚悬挂，上 体活动受限，舒适性差，且价格昂贵。另一类是穿 戴式康复机器人。代表性的有日本筑波大学研制的 Robot Suit HAL 、美国 Berkeley Bionics 公司研制 [9] 的 eLEGS 、 新 西 兰 Rex Bionics 公 司 研 制 的 REX
Design and Dynamic Analysis of an Exoskeletal Lower Limbs Rehabilitation Robot
SHI Xiaohua1 WANG Hongbo1, 2 SUN Li 2 GAO Feng 3 XU Zhen 1
(1. Hebei Provincial Key Laboratory of Parallel Robot and Mechatronic System, Yanshan University, Qinhuangdao 066004; 2. Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science of Ministry of Education, Yanshan University, Qinhuangdao 066004; 3. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240)
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。
下肢外骨骼人机交互动力学模型
下肢外骨骼人机交互动力学模型下肢外骨骼人机交互动力学模型，这听起来好像是个高大上的技术名词，啥意思呢？别急，咱慢慢来聊聊。
简而言之，就是一种高科技的设备，能帮咱们的腿“加点劲”，让行动不便的人也能轻松走路，甚至跑步。
说起来，这可是个神奇的东西，能把咱们人类的“腿部肌肉”变得更强，甚至比某些健身狂人还要厉害。
现在，别看科技发展这么快，很多时候我们还是会觉得自己身体不够强壮，走路走得累，爬楼梯爬得气喘吁吁。
想想看，若是有一双“铁腿”，可以让你轻松走路，爬山也不带喘的，那得多酷啊？你可能会想，外骨骼这种东西，岂不是像变形金刚那样的机械臂、机械腿？其实也差不多，外骨骼人机交互动力学模型就是指它能通过一些技术手段，和人的肌肉系统配合得天衣无缝。
就像你平时走路，腿部的肌肉会带动骨骼的运动。
而外骨骼呢？它通过一系列传感器、控制系统、动力装置，模拟并增强这个过程。
通俗一点说，外骨骼就像一个隐形的“肌肉助推器”，给你的腿提供额外的支持和力量，让你在做动作时更加轻松，甚至能走得比平常快上一倍。
想想看，戴上一套外骨骼，就像是给自己装了个“超级电池”，动力满满，根本不怕累。
好啦，咱们再说说这个动力学模型到底是怎么回事。
它就像是一个“指挥官”，负责调度、协调你和外骨骼之间的互动。
它不仅要理解你做的每个动作，还得时刻判断你下一步该怎么走。
就拿你走路来说吧，当你迈出第一步，动力学模型立马会评估你腿部的力度、步伐的稳定性，然后调整外骨骼的反应速度，确保你不会摔倒。
这就像你走路时，意识到地面有个坑，立马调整步伐一样。
是不是听起来很有趣？它的工作方式可是相当复杂的，就像是一台精密的机器一样。
每个动作都要经过精确计算，确保不会出错，真是细致入微，精益求精。
这个模型还特别聪明，不仅会根据你当前的状态调整外骨骼的动作，它还能学习，随着你使用时间的增加，它会越来越了解你的动作习惯。
比如你走路时喜欢迈大步，还是小碎步，动力学模型都能感应到，并自动调节外骨骼的力度和速度，达到最舒适的状态。
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机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｃ ｈ ｕ ｒ ｅ １ ９７
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
Ｓ ｉ ｍ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ｔ ｏ ｅ ｓ ｔ ｂｌ ａ ｉ ｓ ｈ ｔ ｈ ｅ ｄ ｙ ｎ ｍｉ ａ ｃ ｏｄ ｍ ｅｌ ｏ ｆｌ ｏ ｗ ｅ ｒ ｌ ｉ ｍｂ ｓ ｅ ｘ ｏ ｓ ｋ ｅ ｌ ｅ ｔ ｏ ｓ ｎ ｒ ｅ ｈ ｂｉ ａ ｌ ｉ ｔ ｔ ａ ｉ ｏ ｎ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ， ｔ ｏ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ｄ ｙ ｎ ｍｉ ａ ｃ ｓ
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 ； Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ／ Ｓ ｉ ｍＭｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ； Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ ； 逆动力学
中图分类号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ； Ｔ Ｐ ２ ４ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ — ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ － ０ １ ９ ７ — ０ ４
Ｄｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｎｅ ｕ ｒ ａ ｌ Ｎｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ Ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｌ ｏ ｗｅ ｒ Ｌ ｉ ｍｂ ｓ Ｅ ｘ ｏ ｓ ｋ ｅ ｌ ｅ ｔ ｏ ｎ ｓ Ｒｅ ｈ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｒｏ ｂ ｏ ｔ
ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｔ ｏ ｒ ｑ ｕ ｅ ． Ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｐ ｕ ￣ ｏ ｔ ｕ ｐ ｔ ｕ ｄ ｔ ａ ａ ｒｅ ａ ｔ ｒ ａ ｉ ｅｄ ｎ ｔ ｏ ｇ ｅ ｔ ｅ ｘ ｏ ｓ ｋ ｅ ｌ ｅ ｔ ｏ ｓ ｎ ｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ｄ ｙ ｎ ｍｉ ａ ｃ ｓ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｍ ａ ｔ ｅｍ ｈ ａ ｔ ｃ ｉ ａ ｌ
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（ 河北工业大学 机械学院 ， 天津 ３ ０ ０ １ ３ ０ ）
摘
要： 针对 下肢外骨骼康复机器人 的灵敏度放大控 制需要精确逆动力学模型的问题 ， 通过 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ 软件建立精确的
三维 实体模型 ， 联合 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ ／ Ｓ ｉ ｍ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ 建立下肢外骨骼康复机器人 的动 力学模 型， 以角度 、 角速度和 角加速度作为输 入信 号， 输出信号为髋 、 膝 关节力矩 ， 进行逆动力学仿真分析 。将仿真后的输入输 出数据利用 Ｂ Ｐ神经 网络进行训练并获 得外骨骼逆动力学动 态数学模型。仿真结果表明 ， 该方法可以获得下肢 外骨骼康复机器人精确的模型 ， 并为进一步的实
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｏ ｆ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒ ｌ ｉ ｍｂ ｓ ｅ ｘ ｏ ｓ ｋ ｅ ｌ ｅ ｔ ｏ ｎ ｓ ｒ ｅ ｈ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｆ ｗ ｔｉ ａ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｎ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｇ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ｔｅ ａ
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ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｔｉ ａ ｏｎ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｓ ｉ ｗ ｈ ｏ ｓ ｅ ｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｓ ｉ ｕａ ｇ ￣ａ ｒ ｅ ｎｇ ａ ｌ ｅ ，ａ ｎｇ ｕ ｌ ａ ｒ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｎｇ ａ ｕｌ ａ ｒ ｃｃ ａ ｅ ｌ ｅ ｒ ｔｉ ａ ｏｎ，ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｓ ｉ ｕａ ｇ ￣ａ ｒｅ ａ ｎ ｄ ｋ ｅｅ ｎ