下肢外骨骼机构的研究与仿真
人体下肢外骨骼仿生
人体下肢外骨骼机理分析xx（xx,xxxx,xxxx）摘要：本论文研究穿戴型下肢外骨骼机器人机构。
所研究的外骨骼是一种可以穿戴于人体的机械装置。
这种外骨骼依靠人的运动信息来控制机器人，通过机器人来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的远行、负重等任务。
这种外骨骼也可以用来检测人体运动信息，作为康复医疗器械使用。
下肢穿戴外骨骼机器人是一种具有双足步行特征的典型的人机一体化系统。
关键词：穿戴外骨骼；助力机器人；机构设计；仿真分析ANALYSIS AND DESIGN OF LOWER EXTREMITYEXOSKELETON(MechanicalManufacturingandAutomation.,No.:xxxxxxxx,Email:****************,phone:xxxxxxxxxxx) Abstract：This paper researched a kind of wearable lower extremity exoskeleton robot. The exoskeleton is a mechanism which could match the human body. It relied on human motion information to control the robot, and accomplish the travel, loading and other tasks that can not be completed by people's own capacity lonely. The exoskeleton can also be used to detect human motion information, and as the rehabilitation of medical devices. Lower extremity exoskeleton robot is a kind of typically man-machine integrated system with some biped walking robots’ characters.Keywords：Wearable exoskeletons; Assist robot; Mechanical design; Simulation andAnalyze1引言（Introduction）外骨骼是一种给人穿戴的人机一体化智能机械装置，它将人类的智力和机械装置的“体力”结合在一起，靠人的智力来控制机械装置，通过机械装置来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的任务。
下肢外骨骼虚拟样机设计研究
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｇ ａ ｉ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｉ ｓ ｉ ｎ ｄ ｓ ｉ ｐ ｅ ｎ ｓ ａ ｂ ｌ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ 厂 ｅ ｘ ｏ ｓ ｋ ｅ ｌ ｅ ｔ ｏ ｎ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ． Ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ｍ ａ ｎ ｇ ａ ｉ ｔ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ ｗ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒ ｌ ｉ ｍｂ ｅ ｘ ｏ ｓ ｋ ｅ ｌ ｅ ｔ ｏ ｎ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｔ ｔ ｉ ｔ ｕ ｄ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ，ｉ ｔ ｉ ｓ ｂ ｅ ｎ ｅ ｉｔ ｆ ｆ ｏ Ｔ ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｇ ｏ ｏ ｄ ｍ ａ ｎ — ｍ ｃｈ ａ ｉ ｎ ｅ ｍ ｔｃ ａ ｈ ｉ ｎ ｇ ． Ｔ ｈ ｅ Ｖ ｉ ｃ ｏ ｎ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｓ ｉ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ｉ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｅ ｍ ｔ ａ ｉ ｃ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ． Ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｓ ｉ ｈ ｕ ｍａ ｎ－ ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｃｔ ａ ｉ ｏ ｎ ， ｈ ｕ ｍ ａ ｎ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｅ ｘ ｐ ａ ｎ ｄ ｅ ｄ ， Ｓ Ｏ ｉ ｔ ｇ ｅ ｔ ｓ ｅ ｘ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｔｔ ａ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ｔｉ ａ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒ ｌ ｉ ｍ ｂ ｄ ｙ ｓ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
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。
下肢外骨骼机构的研究与仿真讲解
国内外研究现状
由前苏联圣彼得堡的研究者开发，重87千克。 1970年
国内外研究现状
由前南斯拉夫的Vukobratovic开发，用于截 瘫病人的行走恢复治疗，该系统由气缸驱 动.1971年
国内外研究现状
由日本筑波大学的山海嘉之教授所领导的 Cybernics Lab开发的HAL(Hybrid Assistive Limb) 系列下肢外骨骼用于协助步态紊乱的病人 行走。HAL-3是套下肢装，专门设计来帮助 下肢残障者或是老人们，能方便地进行日常 生活中的许多动作，像是走路、上下楼梯等 等。它采用了角度传感器、肌电信号传感器 和地面接触力传感器等传感设备来获得外骨 骼和操作者的状态信息。它的所有的电机驱 动器、测量系统、计算机和无线局域网络， 以及动力供应设备都整合到背包中。使用装 在腰间的电池进行供电。HAL拥有混合控制 系统，包括自动控制器进行诸如身体姿态的 控制，以及基于生物学反馈和预测前馈的舒 适助力控制器。重22公斤
图片来自http://www.we.kanagawa-it.ac.jp/~yamamoto_lab/pas/index.htm
国内外研究现状
瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)在汉诺威2001年世界工业展览会上展出的名 为LOKOMAT的康复机器人模型。
图片来自 /0105910/images /lokomat_2.jpg
下肢外骨骼机构的研究与仿真
Agenda
• • • • 国内外研究现状 人行走机理分析 下肢外骨骼的建模与仿真 参考文献
国内外研究现状
Hardyman，该系统由通用电气(General Electric)研发，用于增强士兵的持重及负重 能力，操作者操纵内侧的外骨骼，由液压驱 动的外侧外骨骼对人提供助力，但是它的最 大的缺点就是笨重、不稳定且不安全。重 1500磅,30个自由度.1960年 图片来自 /~hpm/project.archi ve/Image.Archive/other.robots/Hardyman.jpg
下肢助力外骨骼机器人研究
下肢助力外骨骼机器人研究随着科技的不断进步，机器人技术已经越来越广泛地应用于各个领域。
其中，下肢助力外骨骼机器人作为一种辅助人体行走的外骨骼装置，受到了越来越多的。
本文将介绍下肢助力外骨骼机器人的研究背景、现状、技术原理及实现方法，以及应用领域和未来发展。
下肢助力外骨骼机器人是一种可穿戴的智能设备，它通过仿生学原理和机械结构设计，为穿戴者提供额外的支撑和助力，从而减轻行走时的负担。
这种外骨骼机器人对于那些需要长时间行走或者负重工作的人群，以及下肢损伤或疾病的康复治疗具有重要的意义。
随着人口老龄化的加剧，下肢助力外骨骼机器人还有着广阔的老年护理市场前景。
下肢助力外骨骼机器人的研究可以追溯到20世纪末，至今已经经历了多个阶段的发展。
目前，下肢助力外骨骼机器人已经在临床应用上取得了一些显著的成果。
例如，在军事、工业和康复医学等领域，已经有一些原型机或者商业产品投入使用，并得到了良好的反馈。
同时，学界对于下肢助力外骨骼机器人的研究也在不断深入，涉及到机械设计、控制系统、人工智能等多个方面。
下肢助力外骨骼机器人的技术原理主要包括仿生学、机械动力学、传感技术、控制算法等。
其实现方法通常包括关键零部件的设计与制造、机构优化与调试、传感器采集与处理、控制算法设计与实现等步骤。
下肢助力外骨骼机器人的核心部分包括腰部、大腿杆、小腿杆和脚踝等部位的设计。
这些部位通过仿生学的原理，模仿人体下肢的动作规律，从而实现与人体运动协同的外骨骼机器人。
在仿生学的基础上，通过机械动力学的研究，可以进一步优化机器人的负载能力和效率。
同时，利用先进的传感技术，可以实时采集穿戴者的运动信号并反馈给控制系统，从而实现精准的控制。
下肢助力外骨骼机器人具有广泛的应用领域。
在军事方面，下肢助力外骨骼机器人可以帮助士兵在行军过程中节省体力，提高作战能力。
在工业生产中，下肢助力外骨骼机器人可以帮助工人进行重物搬运等体力劳动，提高生产效率。
在康复医学领域，下肢助力外骨骼机器人可以帮助患有下肢损伤或疾病的人进行康复训练，加速恢复。
可穿戴式下肢康复外骨骼机器人步态规划及仿真
物理样机之前有必要先进行虚拟样机运动学仿真 ， 以验证 步态规划 的正确性 。本 文采用 Ｃ Ａ Ｄ软件 ｓ ｏ ｉ ｌ ｄ — ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ 和动 力学 分析 软件 Ａ Ｄ Ａ Ｍ Ｓ联合 建立 虚拟 样机 。在 此基 础上 进行 步态 仿 真 ， 证 明步 态规划 的可 行性 。
１ 可穿戴式下肢康复外 骨骼机器 人整体 系统设计
可穿戴式下肢康复外骨骼机器人 ， 是一种运用于下肢瘫痪 、 腿外伤、 脊柱外伤等腿部运动功能障碍患者
的人 工外 骨骼 。主要包 括 ： 髋关 节 、 膝关节 、 踝 关节 和驱 动装 置 。为 了实现 其可 穿戴 性 的要 求 ， 可穿 戴式 下肢
康复外骨骼机器人被设计成包含 １ ４ 个 自由度 ， 即每条腿包含 ７ 个 自由度 ， 髋关节和踝关节分别包含 ３个 自 由度（ 绕额状轴的屈伸运动 、 绕矢状轴 的外展／ 内收运动 、 绕垂直轴 的旋转运动 ） ， 膝关节包含一个 自由度（ 绕 额状轴的屈伸运动） 。由于患者的身高不同 ， 其大腿 、 小腿 、 腰部及踝关节 和脚底板之间连接板 的长度设计 成可 调节 的 。
人体 在前 向运 动 时 ， 主要 由髋 关节 、 膝 关节 、 踝关 节 的屈伸 运 动来 完成 ， 维持前 向运动 的平 衡性 由髋 关节
和踝关节绕矢状轴 的外展／ 内收运动来完成 ， 因此需要在这些 自由度上安装驱动装置 。在其余两个 自由度上
安装弹簧阻尼， 目的是患者在行走过程中受到外力作用时 ， 这两个 自由度旋转有利于维持下肢平衡 ， 外力消 失时 ， 又回到原来的位置。可穿戴式下肢康复外骨骼机器人系统结构如图 １ 所示 ：
：
ｚ ｍ ｐ —————— — ——■■—————————一
下肢外骨骼助力装置结构与动力学分析
下肢外骨骼助力装置结构与动力学分析随着科学技术的进步和人们对于增强自身能力的渴望，下肢外骨骼助力机器人已成为国内外“人机一体化”的一个重要研究方向。
文章介绍了下肢外骨骼助力装置的研究意义，具体阐述了下肢外骨骼助力机器人整体结构的设计、及动力学分析等。
通过实验仿真验证驱动电机选型的可靠性。
全面阐述了下肢外骨骼助力机器人的结构设计方案。
标签：下肢外骨骼机器人；结构设计；动力学；仿真引言现在的交通越来越发达，人们可以用各种各样的交通工具来运载重物以及帮助人们到达目的地，但是在自然界中许多崎岖不平甚至很陡峭的地方交通工具也很难到达；随着时代的发展，老龄化问题也越来越严重，越来越多的老年人需要被照料；再者，残疾人士（更多的是下肢瘫痪或者行走困难的人）也需要借助一些工具来适应这个世界，因此开发出一些操作简单、价格合理的智能机械装置用于帮助人们运载重物、辅助老年人以及残疾人，帮助他们照料自己或者进行康复训练无疑是解决目前老龄化问题的一个有效措施。
下肢外骨骼助力系统实质上是一种可穿戴的人机一体化系统，其以人为核心，由穿着者进行控制操作，所以机械结构的设计需要尽量的拟人化，这样才能更好的配合穿戴者完成任务。
1 结构设计1.1 结构设计原则根据下肢外骨骼机器人可穿戴性的特点，在对其机械结构进行设计时，应当充分考虑以下四个设计原则。
（1）安全可靠。
由于下肢外骨骼机器人的使用对象是人，所以机械结构应当保证机器人在正常使用的时候和出现故障时，都能较好地确保穿戴者的人身安全。
（2）拟人化设计。
机械结构应尽量模拟真实的人体下肢运动关节及大小腿骨；在自由度配置和各关节的设计上，尽力满足人体下肢关节活动范围要求。
（3）可伸缩性。
由于不同的人的身材不同，因而其下肢的几何尺寸也不相同。
因此，要求机械腿的长度在一定范围可调，提高下肢外骨骼机器人的通用性。
（4）坚固耐用、轻巧便携。
下肢外骨骼机器人在使用时，即要承受其自身重量又要承载穿戴者的重量，同时还需承受外界的刚性冲击[1]。
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
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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。
下肢助力外骨骼的动力学分析及仿真
下肢助力外骨骼的动力学分析及仿真
韩亚丽;王兴松
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2013(25)1
【摘要】下肢助力外骨骼是一种形似人体腿部结构,并联与穿戴者下肢外部,对穿戴者进行行走助力的机构。
针对下肢助力外骨骼的行走特点,把其行走步态周期内的运动分成:单脚支撑、双脚支撑和一脚虚触地的双脚支撑三种行走模式,分别对此三种行走模式进行研究。
构建动力学模型,求出各关节力矩,并通过仿真,验证其理论分析的正确性。
下肢助力外骨骼的动力学研究为控制系统提供重要的理论依据,除外此研究结果也为仿人机器人的行走动力学研究提供重要的参考依据。
【总页数】8页(P61-67)
【作者】韩亚丽;王兴松
【作者单位】南京工程学院;东南大学
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.下肢外骨骼助力装置结构与动力学分析
2.医疗助力下肢外骨骼设计及动力学仿真分析
3.下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真
4.人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计及运动学仿真分析
5.基于人机耦合的下肢外骨骼动力学分析及仿真
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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
下肢外骨骼机构的研究与仿真32页PPT
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根来自下肢外骨骼机构的研究与仿真
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
新型下肢外骨骼机器人动力学仿真
第6期2021年6月300机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 新型下肢外骨骼机器人动力学仿真邓斌,赵英朋（西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心，四川 成都610031）摘要:人体躯干能够根据负载重量而自适应调节前倾角度，有利于人体对下肢外骨骼的控制和人机系统行走稳定性。
当超出一定负重时，躯干前倾困难。
设计一种新型號背结构,利用负重重量增加躯干前倾角度。
首先分析人体步态，方 便仿真时施加约束和驱动等元素;然后将人体简化为七杆模型，用Kane 方法建立动力学方程，减少中间变量，提高计算效 率;最后通过Adams 进行动力学仿真验证。
仿真得到的结果表明：承载负重之后，髓背机构能使人体躯干前倾更加省力， 人机系统重心位置相比于之前接近稳定区域，并且系统重心比之前有所降低，进一步保证系统稳定。
关键词:外骨骼;步态分析;动力学;仿真;Kane 方法中图分类号:TH16 文献标识码:A 文章编号:1001-3997(2021)06-0300-05Dynamics Simulation of New Exoskeleton RobotDENG Bin, ZHAO Ying-peng(Ministry of Education Engineering Research Center for Advanced Driving and Energy-saving Technology , Southwest Ji ao Tong University, Sichuan Chengdu 610031, China)Abstract ： The human torso adaptive control the forward angle according to the load weight, which is beneficial to the humanbody to control the lower limb exoskeleton and the walking stability of man-machine system. When the load exceeds a certain range , it is difficult f or the torso to lean f orward. In this paper, a new type of hip back structure is designed, which is used to in crease the angle of f orward tilt of t he trunk. Firstly, analyze the human gait, which makes it corwenient to apply constraints anddriving elements in simulation;And then simplify the human body into a seven-bar model, Using Kane method to establish dy namic equations 9 reduce intermediate variables and improve calculation efficiency; Finally, the dynamics simulation is carried out by Adams. The simulation results show thati After carrying load, the hip back mechanism can make the body lean f orwardand save more power, the center of g ravity of m an-machine system is closer to the stable region than before 9 a nd the center of g ravi ty of t he system is lower than before 9 w hich f urther ensures the stability of t he system.Key Words : Exoskeleton ； Gait Analysis ； Dynamics ； Simulation ； Kane Method1引言随着科学技术日新月异的发展，下肢外骨骼机器人技术也得到快速的更迭,针对不同场合具有更加良好的适应性。
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。
下肢助力外骨骼机构设计与研究 (硕士论文)
下肢助力外骨骼机构设计与研究
RESEARCH AND MECHANISM DESIGN OF LOWER LIMB POWER EXOSKELETONS
（全日制工程型）
蒋靖
哈尔滨工业大学 2012 年 7 月
国内图书分类号：TP242.6 国际图书分类号：621
学校代码：10213 密级： 公开
摘
要
外骨骼研究已成为国内外机器人技术领域研究的热点。外骨骼机器人能 够 有 效结 合 人 类 的 智 慧 和 机器 人 的 强 壮 ， 让 复 杂环 境 下 的 负 重 难 题 不复存 在。随着单兵作战装备重量的提高，一款适用于士兵穿戴，能有效提高士兵 负重能力，且适用于各种复杂环境的外骨骼机器人具有极大的应用前景。本 论文围绕下肢助力外骨骼的机械驱动系统设计、运动学和动力学分析、传感 系统设计及仿真和实验等关键问题进行了深入的研究。 在对人体下肢运动机理进行仔细分析的基础上，本论文对下肢助力外骨 骼的机械驱动系统进行了设计和研究。根据仿生设计的方法，对外骨骼的髋 关节、膝关节和踝关节等结构进行了设计，并对髋关节、大腿连杆、小腿连 杆等关键零部件进行了有限元力学分析；最后结合关节肌肉运动机理，对外 骨骼液压驱动系统方案进行了设计。 针对外骨骼机械结构，本论文对下肢助力外骨骼进行了运动学及动力学 分析。对外骨骼机械腿进行 D-H 建模，求解运动学正解，采用微分变换法 求雅克比矩阵。然后采用拉格朗日功能平衡法，对外骨骼进行动力学求解。 根据外骨骼整体结构和控制策略，本论文对下肢助力外骨骼的传感系统 进行了设计。通过分析人体足底压力分布信息，对压力传感器进行了选取和 布位，并设计传感鞋，保证采集压力的可靠性和传感器的安全性。选取了合 适的关节转动角度传感器，实现对外骨骼进行准确的控制。 最后，本论文对下肢助力外骨骼进行了仿真分析及实验研究。仿真分析 主要包括关节仿真和行走仿真；实验研究则包括穿戴舒适性试验、关节 信息 采集实验、步态信息采集实验和外骨骼关节驱动实验等。仿真与实验结果表 明，下肢助力外骨骼机械结构设计合理可靠、穿戴舒适，能够满足外骨骼负 重和灵活性要求。 关键词：下肢助力；外骨骼机器人；结构设计；运动学与动力学
下肢外骨骼康复机器人仿真和试验分析
下肢外骨骼康复机器人仿真和试验分析曲海军;李天亮;刘建慧;秦小俊;杨永强;李强;王金武;倪国骅;赵东亮;王建平【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2024(43)3【摘要】目的为了帮助下肢运动障碍者进行有序康复训练,设计一种下肢外骨骼康复机器人,动力源驱动下肢交叉摆动模拟人类正常步态行走,实现双下肢协调运动,帮助下肢运动障碍者完成康复训练。
方法建立外骨骼机器人三维模型、下肢外骨骼机器人D-H模型,对下肢外骨骼康复机器人进行正、逆运动学分析,并将模型导入ADAMS,创建运动副与驱动函数进行运动学仿真,在此基础上制作样机并进行动力学测试试验分析。
结果正、逆运动学验证了外骨骼康复机器人空间运动的合理性,ADAMS运动仿真结果与理论计算具有良好一致性,从而保证设计的下肢外骨骼结构与穿戴者下肢同步协调。
仿真分析发现理论计算和仿真的误差主要来源于驱动函数误差,动作误差最大为2.15 cm。
试验验证髋关节、膝关节运动与参考输入运动具有一致性。
但是运动存在误差,髋关节平均误差为5.57°,膝关节平均误差为5.45°,实验发现电机扭矩不足是引起运动误差的首要因素,其次是零件加工误差和装配误差。
结论通过理论计算、仿真与试验分析验证了方案的可行性,发现驱动误差、零件加工精度和装配精度可带来误差。
研究结果可为进一步完善机器人性能和研究康复机器人动力学影响因素提供基础和参数依据。
【总页数】10页(P115-124)【作者】曲海军;李天亮;刘建慧;秦小俊;杨永强;李强;王金武;倪国骅;赵东亮;王建平【作者单位】河南理工大学机械与动力工程学院;河南优德医疗设备股份有限公司;上海交通大学第九人民医院;河南省洛阳正骨医院(河南省骨科医院)【正文语种】中文【中图分类】TP242;TH122【相关文献】1.外骨骼手臂康复训练机器人仿真分析与研究2.下肢康复机器人仿真分析及研究3.人体下肢康复外骨骼机器人仿真分析与实验4.康复外骨骼机器人对脑卒中下肢运动功能障碍疗效的Meta分析5.可穿戴式下肢外骨骼康复机器人运动学分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
人体下肢外骨骼设计与仿真分析
人体下肢外骨骼设计与仿真分析
赵彦峻;徐诚
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2008(20)17
【摘要】设计了一种具有辅助士兵承载能力的人机一体化的下肢外骨骼。
通过从仿生学角度分析人类下肢关节的结构特点、人类的步态及下肢自由度,并结合下肢外骨骼实现的功能、工作原理、结构组成,设计了其结构。
利用CAD软件Pro/E及动力学仿真软件ADAMS对人体及下肢外骨骼进行了建模、仿真。
这为进一步研究下肢外骨骼打下了基础。
【总页数】5页(P4756-4759)
【作者】赵彦峻;徐诚
【作者单位】南京理工大学机械学院
【正文语种】中文
【中图分类】TJ819
【相关文献】
1.人体下肢外骨骼的运动分析与仿真
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3.人体下肢康复外骨骼机器人仿真分析与实验
4.人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计与运动学仿真
5.人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计及运动学仿真分析
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人体下肢运动机理
人体下肢运动机理
人体行走时的下肢肌肉活动
参考文献
• 夏昊昕. 下肢康复训练机器人的研究[D]. 哈尔滨 工程大学 , 2003 • 王小龙.基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统的 研究[D]. 河北工业大学, 2003 • 王辉. 智能假肢的控制机理及控制系统研究[D] 河北工业大学 , 2005 . • 牛彬. 可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研 究与实现[D]. 浙江大学 , 2006 • 赵彦峻. 人体下肢外骨骼工作机理研究[D]. 南京 理工大学, 2006
浙江大学杨灿军教授设计的可穿戴式的下肢 步行外骨骼机构.采用了三个旋转运动副， 并分别将其布置在外骨骼上人体下肢三个关 节的相应位置，用来模拟三个关节的转动， 旋转副采用销轴方式来具体实现。 另外，为了提高外骨骼的运动灵活性以及方 便行进过程中的转向，在髓关节处还布置了 额外的旋转副.
国内外研究现状
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新加坡南洋理工大学的罗锦发教授(Low KinHuat)研发的Lower Extremity Exoskeleton.该 系统主要由两个部分所组成:内侧外骨骼和 外侧外骨骼.
国内外研究现状
内侧的外骨骼绑缚在人的下肢上，利用关节 处的编码器来测量行走时的关节角度信号; 外侧的外骨骼用来提供助力，根据内侧外骨 骼测得的关节角度值通过电机来提供动力。 他们的另外一个主要工作在该原型系统上利 用零力矩点(ZMP)理论进行了外骨骼行走稳 定性方面的研究。
下肢外骨骼机构的研究与仿真
Agenda
• • • • 国内外研究现状 人体行走机理分析 下肢外骨骼的建模与仿真 参考文献
国内外研究现状
Hardyman，该系统由通用电气(General Electric)研发，用于增强士兵的持重及负重 能力，操作者操纵内侧的外骨骼，由液压驱 动的外侧外骨骼对人提供助力，但是它的最 大的缺点就是笨重、不稳定且不安全。重 1500磅,30个自由度.1960年 图片来自 /~hpm/project.archi ve/Image.Archive/other.robots/Hardyman.jpg
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肘部、腰部和膝部的关 节驱动采用新式的可直 接驱动的旋转位移式气 动驱动器，肌肉力量信 号的采集采用布置于上 臂、大腿和腰部的肌肉 硬度传感器测得。微处 理器在收到传感器的输 出信号之后，计算出保 持某个姿势的所需的关 节力矩，然后输出控制 信号给PWM驱动电路， 以驱动旋转气缸的动作。
图片来自http://www.we.kanagawa-it.ac.jp/~yamamoto_lab/pas/index.htm
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瑞士苏黎士联邦工业大学(ETH)在汉诺威2001年世界工业展览会上展出的名 为LOKOMAT的康复机器人模型。
图片来自 /0105910/images /lokomat_2.jpg
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外骨骼上共安装有40多个传感器和液压驱动 器，它们共同构成了一个局域网络，该网络 向计算机提供必要的信息，计算机根据这些 信息了解操作者当前的状态，并据此对人的 负载情况实时进行必要的调整。操作者身着 重达100磅的外骨骼，同时背上70磅的背包 在房间里行走，他所感觉到的重量只有5磅。 图片来自/CV/Ryan/R1BLEEX.jpg
ห้องสมุดไป่ตู้ 国内外研究现状
由前苏联圣彼得堡的研究者开发，重87千克。 1970年
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由前南斯拉夫的Vukobratovic开发，用于截 瘫病人的行走恢复治疗，该系统由气缸驱 动.1971年
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由日本筑波大学的山海嘉之教授所领导的 Cybernics Lab开发的HAL(Hybrid Assistive Limb) 系列下肢外骨骼用于协助步态紊乱的病人 行走。HAL-3是套下肢装，专门设计来帮助 下肢残障者或是老人们，能方便地进行日常 生活中的许多动作，像是走路、上下楼梯等 等。它采用了角度传感器、肌电信号传感器 和地面接触力传感器等传感设备来获得外骨 骼和操作者的状态信息。它的所有的电机驱 动器、测量系统、计算机和无线局域网络， 以及动力供应设备都整合到背包中。使用装 在腰间的电池进行供电。HAL拥有混合控制 系统，包括自动控制器进行诸如身体姿态的 控制，以及基于生物学反馈和预测前馈的舒 适助力控制器。重22公斤
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加州大学伯克利分校的人体工程实验室在 2004年推出的BLEEX(BkereleyLowerExert而 tyExoskeleton)外骨骼系统.由两条动力驱动的 仿生金属腿、一个动力供应单元和一个用 于负重的背包架组成。该系统使用混合动力， 即使用液压能驱动双腿行走，同时对随身携 带的计算机供应电能。 图片来自 http://64.202.120.86/upload/image/articles/2 007/engine-on-a-chip/bleex-exoskeleton.jpg
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日本神奈川(Kanagawa)工科大学Yamamoto教 授研发的的Wearable Power Assit Suit.外套选 用了微型气泵、便携式镍锡电池和嵌入式微 处理器使系统的动力提供和控制系统极其小 型化。整个装置的金属结构由硬铝合金加工 而成，重约30公斤。
图片来自www.we.kanagawa-it.ac.jp
图片来自 /0105910/imag es/lokomat_1.jpg
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德国弗朗霍费尔研究所(FRANHOFER INSTITUT IPK)研制的绳驱动式康 复机器人.
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清华大学研制的卧式下肢康复训练机器人样机
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浙江大学杨灿军教授设计的可穿戴式的下肢 步行外骨骼机构.采用了三个旋转运动副， 并分别将其布置在外骨骼上人体下肢三个关 节的相应位置，用来模拟三个关节的转动， 旋转副采用销轴方式来具体实现。 另外，为了提高外骨骼的运动灵活性以及方 便行进过程中的转向，在髓关节处还布置了 额外的旋转副.
国内外研究现状
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HAL-5，在2005年日本爱知世博会上展出,不 但能帮助使用者走路，还有上半部能辅助使 用者的手臂，使用者穿戴上这种装置，就能 提起比原本所能负荷还要更重40公斤的东西。 重15公斤,售价14000美元-19000美元
图片来自 http://sanlab.kz.tsukuba.ac.jp/english/img/r_h al.png
人体下肢运动机理
人体的基本平面和基本轴
人体下肢运动机理
人体下肢各部位的基本运动
人体下肢运动机理
人体下肢骨骼结构图
人体下肢运动机理
髋关节和产生髓关节屈伸运动的主要屈肌和伸肌
人体下肢运动机理
膝关节
人体下肢运动机理
产生膝关节屈伸运动的主要屈肌和伸肌
人体下肢运动机理
踝关节
人体下肢运动机理
人体步态周期内的下肢各关节角度变化