下肢外骨骼机器人动力学分析及设计
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。
《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。
外骨骼机器人研究与设计
外骨骼机器人研究与设计外骨骼机器人是一种可以穿在身上的机器人，它可以增强人类肢体的力量和自主移动能力。
外骨骼机器人的研发已经取得了重大的进展，这种机器人已经成为了越来越多研究机构和企业的研究重点。
一、外骨骼机器人的研究现状外骨骼机器人最初的应用是在军事领域。
2000年，美国国防部资助对外骨骼机器人的研究，研究结果表明，戴上外骨骼机器人的士兵能够在山路上扛着100多磅的装备行走。
之后，为了解决失能人群机械化帮助的问题，医学界增加了对外骨骼机器人的研究。
同时，德国开发出了专门的“机器人运动员”，使得协会残疾人可以享受到运动的乐趣。
目前，外骨骼机器人已经被广泛应用于医疗、日常生活和生产制造等领域。
在医疗领域，外骨骼机器人可以帮助瘫痪患者进行肢体康复。
在日常生活领域，外骨骼机器人可以帮助人们进行搬运货物、爬楼梯等力气活。
在生产制造领域，外骨骼机器人可以提高工人的工作效率和减少工伤。
二、外骨骼机器人的设计与原理外骨骼机器人的设计需要考虑机器人的体重、力度、稳定性和电池寿命等问题，同时还需要考虑外骨骼与人类进行有效交互的问题。
从原理上来说，外骨骼机器人包括四个主要的部分：传感器、计算机、执行器和电池。
首先是传感器，它可以读取人类的姿态和动作，以对外骨骼机器人进行控制。
然后是计算机，它用于对传感器提供的数据进行处理和分析。
执行器被用来转动电动机或液压系统，以使外骨骼机器人产生相应的力和运动。
最后是电池，它能提供给外骨骼机器人所需的电力。
三、外骨骼机器人的优势与未来展望外骨骼机器人的优势在于能够增强人类的肢体功能，并且帮助人们完成一些重体力活，减轻了工人们的负担，提高了工作效率，同时也使得瘫痪患者可以完成肢体康复训练。
另外，外骨骼机器人的应用未来还将不断拓宽，应用场景也将更加多样化，例如，外骨骼机器人可以被用来支持太空步行、远程医疗等方面。
总之，外骨骼机器人的研究和设计离不开数学、力学、材料等学科的支撑。
未来，它将会不断地被应用于人类生活的各个领域，并且有可能会成为人类生活的必需品。
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。
外骨骼机器人的动力学分析与控制策略研究
外骨骼机器人的动力学分析与控制策略研究一、前言近年来，随着科学技术的发展，机器人逐渐走进人类的生活，尤其是外骨骼机器人的出现，更是让人们对于科技的崭新变革有了更加深刻的认识。
外骨骼机器人不仅能够帮助残疾人或者老年人重拾站立、行走的能力，还能在军事方面起到极为重要的作用。
本文旨在通过对外骨骼机器人的动力学分析与控制策略研究，使读者对于这一先进技术有更加全面的认识。
二、外骨骼机器人的动力学分析1.外骨骼机器人的定义和研究意义外骨骼机器人指的是人类穿戴的外部机械骨骼，通过机械、电气、计算机等技术实现人机互动的机器人。
外骨骼机器人的研究意义在于推动机器人技术的发展和应用，同时它也有助于改善人类的生活和工作条件，提高人类的工作效率和生产力。
2.外骨骼机器人的运动分析外骨骼机器人的运动分析涉及到机器人的整体构造、人体动力学、运动学和动力学特性等方面。
通过对机器人运动的分析，可以有效地指导机器人运动控制策略的设计和优化。
3.外骨骼机器人的力学模型外骨骼机器人的力学模型可以分为刚体动力学模型和柔性动力学模型两种。
其中刚体动力学模型适用于外骨骼机器人的机械部分；柔性动力学模型适用于人体部分。
力学模型的建立能够帮助我们更好地理解外骨骼机器人的运动特性。
4.外骨骼机器人的驱动方式外骨骼机器人的驱动方式主要包括热力驱动、电力驱动、压力驱动和液压驱动等。
其中电力驱动和液压驱动被广泛应用于外骨骼机器人的设计中。
三、外骨骼机器人的控制策略研究1.外骨骼机器人的控制目标外骨骼机器人的控制目标主要包括行走稳定性和运动姿态控制两部分。
行走稳定性是指外骨骼机器人在行走过程中保持平衡的能力；运动姿态控制是指控制机器人在不同位置和姿态下的运动和动作。
2.外骨骼机器人的控制方法外骨骼机器人的控制方法包括：传统PID控制方法、自适应控制方法、模型预测控制方法等。
其中自适应控制方法和模型预测控制方法能够更好地应对外部环境的变化和机器人运动的复杂性。
下肢外骨骼助行机器人驱动系统分析
【 ４ 】ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗ ｗ ｗ ２ ． ｍ 乱Ｐ ｓ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ／一ｐ ｔ ／ ｒ ｅ ｎ ｅ ｅ ３ ８ ４ ／ ａ ｎ ａ ｔ ｏ ｍ ｙ ． ｈ ｔ ｍ．
【 ５ 】冯治国． 步行康复训练助行腿机器人系统［ Ｄ ］ ． 上海： 上
海大学 ， ２ ０ ０ ９ ．
实现较 大动力 的驱动 ，则需选取 电机 的体积 也可能会 较 大 ，这样 对机构 的轻巧 、灵活性带来一定 的问题 。 液压驱 动 的优 点 是 ：传 动 功率 密 度 大 ，传 动 平 稳 ，能 动 比较 高 ，并 且 容 易控 制 。但 也 有 其 缺 点 ： （ １ ）液压 驱 动 系统 因为原 理 的 限制 ，在 控制 响应 速 度和精度上有先天 的不足 ，且 提高这两项指标付 出的 控制及 制造成本 巨大 ； （ ２ ）液 压驱动 系统 的结构 复
下肢外 骨骼助行 机器人 驱动系统研究 现状 ，并对各种
不 同的下肢外骨骼助行 机器人 驱动系统进行分析 ，为 下肢外骨骼助行机器人驱动系统的设计提供参考。
参 考 文献 ：
【 １ 】 张佳帆． 基 于柔性外 骨骼 人机 智能系统基础理论及应用 技术研究 ［ Ｄ］ ． 杭州 ： 浙 江大学 ， ２ ０ ０ ９ ．
Ｃ Ａ： Ｎ ｏ ａｈ Ａｔ ｌ ａ ｎ ｔ ｉ ｃ Ｂ ｏ ｏ ｋ ｓ ， ２ ０ ０ １ ．
染 、工作压力 低 ，制 造 要 求 比液压 元 件 低 、维护 简 单 ；但是气动装置 的信号传递 的速度较慢 ，而且 由于 空气具有 可 压缩 的特点 ，导致 运 动 速度 ：下肢外骨骼助行机器人 驱动系统分析
・１ ７ １・
精度控制 困难 。
３ 典型 驱 动 系统 对 比分 析 电机驱动控制模式简单 、响应快 ，且控 制精度 易 于保证 ，维护使 用 方 便 ，信 号 监 测 、传 递 和 处 理方 便 ，成本低廉 ，驱 动效率高 ，不会污染环境 。但如果
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。
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。
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。
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。
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]。
下肢外骨骼的动力学分析与运动规划共3篇
下肢外骨骼的动力学分析与运动规划共3篇下肢外骨骼的动力学分析与运动规划1下肢外骨骼的动力学分析与运动规划随着科技的不断发展，下肢外骨骼技术逐渐成熟，广泛应用于康复医疗、军事作业以及劳动增强等领域，为残疾人士带来新的希望，提高了人类的生活品质。
下肢外骨骼的动力学分析与运动规划则是该技术的重要组成部分，对于下肢外骨骼的设计、优化和普及都具有重要的意义。
动力学分析是指利用运动学以及牛顿运动定律等物理学原理，对机械结构进行运动学分析和动力学分析，获得系统的力学特性，研究运动学参数和系统的运动学控制策略。
在下肢外骨骼技术中，动力学分析可以帮助研究者了解系统受力情况、确定外骨骼的保护能力和舒适度、评估系统性能并进行优化等。
动力学分析的主要步骤包括建模、求解和仿真分析。
对于下肢外骨骼，建模阶段将机械结构转化为运动学和动力学方程，并对其进行简化和适应性建模；求解阶段对方程进行求解，计算系统受力和应力情况；最后利用仿真软件对系统的性能进行评估。
运动规划是指基于动力学分析的结果，针对特定任务要求，通过控制外骨骼系统的运动规律和策略，规划合适的运动轨迹和动作，以实现系统的稳定、平稳、高效运动。
在下肢外骨骼技术中，运动规划可以帮助设计者确定系统的运动状态、获取关节角度和力矩等信息、调节系统运动状态和能量利用率、改善系统控制性能等。
运动规划的主要步骤包括舒适度规划、姿态规划、时域规划等。
对于下肢外骨骼，首先需要进行舒适度规划，确定系统可以承受的极限负荷和角度限制。
接着进行姿态规划，确定系统的姿态和关节角度。
最后进行时域规划，确定系统的运动规律和实现过程。
除此之外，未来的下肢外骨骼技术还需关注如下问题：1. 增加心理角度的研究。
如何适应残疾人士的心理需求，减轻外骨骼使用时的压力，是下一步研究的重点。
2. 研究机械轻量化。
下肢外骨骼的重量过重，会对使用者造成不小的负担。
因此，对于外骨骼的轻量化设计和研究，也是下一步研究的难点。
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。
下肢康复外骨骼机器人设计与性能分析
下肢康复外骨骼机器人设计与性能分析目录一、内容概述 (2)1.1 研究背景 (3)1.2 研究目的与意义 (4)1.3 国内外研究现状及发展趋势 (5)二、下肢康复外骨骼机器人的设计原理 (6)2.1 外骨骼机器人的基本结构 (8)2.2 动力系统设计 (9)2.3 控制系统设计 (10)2.4 传感器及其融合技术 (12)2.5 人机交互与控制系统设计 (13)三、下肢康复外骨骼机器人的性能分析 (14)3.1 功能性评价指标 (16)3.1.1 平衡性能 (17)3.1.2 协调性能 (19)3.1.3 敏捷性能 (20)3.2 结构性能评价指标 (21)3.2.1 结构强度与刚度 (23)3.2.2 重量与功耗 (24)3.2.3 结构可拆卸性 (25)3.3 控制性能评价指标 (26)3.3.1 控制精度 (27)3.3.2 反馈速度 (28)3.3.3 自主学习能力 (29)四、下肢康复外骨骼机器人的实验测试与分析 (31)4.1 实验条件与方法 (32)4.2 实验结果与分析 (33)4.2.1 功能性测试结果 (34)4.2.2 结构性能测试结果 (36)4.2.3 控制性能测试结果 (36)五、结论与展望 (38)5.1 研究成果总结 (39)5.2 存在问题与不足 (40)5.3 后续研究方向与展望 (41)一、内容概述“下肢康复外骨骼机器人设计与性能分析”文档旨在全面介绍下肢康复外骨骼机器人的设计过程及其性能分析。
本段落将简要概括文档的主要内容和结构。
文档将介绍下肢康复外骨骼机器人的研究背景和意义，随着医疗技术的不断进步和康复需求的日益增长，外骨骼机器人在康复治疗中的应用逐渐受到重视。
下肢康复外骨骼机器人作为一种辅助设备，能够帮助患者进行行走、站立等动作的训练，提高康复效果。
文档将阐述下肢康复外骨骼机器人的设计原理与流程，这包括机器人的结构设计、控制系统设计以及人机交互设计等方面。
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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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。
因此，本文针对人类下肢的步态与自由度相应特点，结合单足与双足的支撑期实现动力学方面的分析，并建立相应科学的模型，并对人体下肢登台阶当中功率的变化，综合分析各关节相应驱动的方式。
同时结合科学的软件对其实现设计与验证。
关键词:外骨骼；动力学；设计；仿真
——————————————————————
—作者简介:姜璐（1997-），男，山东临沂人，河南科技大学在读本
科，研究方向为车辆工程。
关节关节角变量θi
连杆扭转角αi
0123567
θ1θ2θ3θ4θ5θ6θ7
π-θ1θ2-π/2θ3θ4θ5-θ6π/2-θ7
表1关节扭转角
图2第i 杆的受力分析
2MATLAB 仿真
2.1关节驱动力矩
在人体的下肢动力学相关分析的基础上，通过MATLAB 进行编程与仿真，能够获取各个关节在每一个相应步态周期之内相应驱动力矩。
结合人类临床方面的各种步态相关数据，能够获得每个步态相应周期之内人体的下肢相应关节具体角度所发生的改变，并对其进行离散，之后导入MATLAB 获得相应角度变化的曲线。
由于本文所设计的外下肢外骨骼机器人主要应用在军事领域，所以设计当中设定人体的背部负担有一百公斤重物，结合我国成年人相应人体尺寸，能够获得人体上肢与下肢相应几何尺寸。
结合成年人人体惯性的相关参数，能够获得人体的下肢所有部位实际的惯性参数和质心位置。
在对人体的步态进行分析的时候，只需要分析人体下肢其中一条腿相应步态周期之内的相关活动。
将一只腿运动的初始状态设定为支撑期，通过MATLAB 并结合相应科学公式实现编程，之后就能够获得一个步态相应周期之内各个关节其驱动力矩的曲线。
2.2关节功率
实现对需要驱动的相应关节进行确定，首先要对相应步态周期之内各个关节实际功率变化情况进行有效计算，通过公式P i =τi ·ωi 能够获得相应步态周期之内各个关节实际平均功率，即：P ave
i =
10
∫τi
·ωi
dt 。
结合一个完整的步
态周期之内各个关节相应功率实际变化曲线，可以发现在功率是正的时候，此时关节需要相应驱动器为其提供一定的能量，在功率是负的情况下，此时关节处于向外趋势，会向外界实现能量的释放。
在一个完整的步态周期内，各个关节相应平均功率是：髋关节为-200.13W ；膝关节为93.79W ；踝关节为42.58W 。
基于相应平均功率，能够得出一个完整的步态周期之内，驱动功率需求最大的是膝关节，其次就是踝关节，在人体髋关节对驱动功率的需求是0，此关节只需要利用自身吸收的相关能量就能实现行走运动。
因此，在下肢外骨骼机器人动力学分析当中需要关注踝关节的相关作用，不能忽视其进行建模，而优化之后的七杆机构能够更全面地反应人们步行过程中各个关节实际力矩以及功率改变。
在登台阶的相应研究中，发现此时踝关节与髋关节需求能量比较小，而膝关节需求能量就比较多。
并通过研究与分析得出，驱动器施加在各个关节处，会对相应骨骼增加额外的重量压力，所以，在前期的研究当中只需要将驱动器加置在膝关节处[2]。
3下肢外骨骼机器人结构设计3.1人体下肢关节分析和关节设计实现下肢外骨骼机器人的结构设计，就要求设计的运动要和人体实际下肢运动存在高度一致性，基于此，就要着重对人体下肢相应运动特点进行深入分析。
通过对人体下肢髋关节、膝关节以及踝关节的相关运动进行分析，发
现人体下肢理想的自由度有十四个。
在髋关节的设计中，结合髋关节实际运动相应自由度的转动轴，要和人体主要的自由度相应转动轴相重合。
相应髋关节其屈伸运动，要能够使下肢外骨骼机器人实现迈脚这一功能动作的完成，在旋转运动与外摆内合的动作当中能够保持平衡，同时还能实现行走方向的改变。
并结合上述分析，在髋关节进行结构设计当中不需要进行驱动的添加。
针对膝关节的设计，由于膝关节具有复杂性和完善性，并且属于下肢活动枢纽，负重较多并且相应运动量也大，所以对膝关节进行相应屈伸自由度的设计，并在此处安装相应的驱动器。
针对踝关节的设计，要确保其关节运动模式与人类的踝关节实际运动具有高度一致性。
基于人体踝关节相应运动模式并未在步行运动中占据突出地位，而且其扭动幅度也较小，所以在设计当中只需要实现2个自由度的保留，并且此处也不需要实现驱动器的添加。
3.2平地行走过程中膝关节液压缸驱动力
在上文动力学的仿真当中得出相应关节对驱动力矩的实际需求，结合设计当中液压缸相应尺寸和外骨骼在大、小腿之上相应安装的尺寸，能够对膝关节相应液压缸输出力进行大小的计算，并对液压缸进行简化安装。
并通过相关公式获得液压缸实际输出力相应曲线和膝关节的液压缸实际位置相关曲线，能够发现不管腿的左右，实际活塞运动其幅度最大时刻均属于摆动期内，并且液压缸需求实现最大输出力予以提供的相应时刻也均在支撑期之内。
因此，在之后的算法研究当中，既要动态控制液压缸其位置，又要通过传感器的安装，实现液压缸相应输出力实际大小的采集。
同时和仿真实验当中相应曲线进行比较，确保相应差值能够对下肢外骨骼机器人实际辅助作用进行体现。
最后，将样机模型与相应曲线导入到ADAMS 当中来进行仿真，验证相应力矩具有正确性，基本符合人体实际行走相应关节其角度特性[3]。
4结束语
人的下肢运动具有可重复、约束性和周期性特点，还包含各种标准运动。
在下肢外骨骼机器人研究设计当中，最主要的评定指标与模拟目标就是下肢平地行走。
结合其相应特点，优化了以往建立的模型，实现七杆模型的改进建立，并在此基础上通过相关科学理论进行建模，并利用先进软件进行仿真验证，实现对外骨骼机器人动力学的有效分析和设计。
参考文献:[1]靳兴来，朱世强，张学群，等.液压驱动下肢助力外骨骼机器人膝关节结构设计及试验[J].农业工程学报，2017，33（5）：26-31.
[2]徐元杰.下肢外骨骼机器人运动失稳机理及控制策略的研究[D].新疆大学，2017，12（33）：122.[3]郭伟，杨丛为，邓静，等.外骨骼机器人系统中人体下肢关节力矩动态解算[J].机械与电子，2015（10）：71-75.。