下肢外骨骼机构的研究与仿真讲解
一种多自由度可调节下肢康复外骨骼的设计与仿真
一种多自由度可调节下肢康复外骨骼的设计与仿真
魏笑;毕文龙;李亚男;许倍豪;赵彦峻
【期刊名称】《机械传动》
【年(卷),期】2024(48)1
【摘要】针对下肢受损、脑卒中等患者的康复训练,设计了一款多自由度可调节下肢康复外骨骼,利用丝杆机构代替传统腿部结构,并在腰部设有转动模块,能更好地实现人机协同。
采用拉格朗日方法建立下肢外骨骼动力学模型,并计算了理论转矩;构建了下肢康复外骨骼模型,利用Ansys和Adams软件分别进行了有限元仿真和外骨骼运动学/动力学仿真。
结果验证了结构设计的合理性,为后续下肢外骨骼制造与电动机选型提供了依据。
【总页数】6页(P61-66)
【作者】魏笑;毕文龙;李亚男;许倍豪;赵彦峻
【作者单位】山东理工大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.一种下肢外骨骼康复机器人优化的结构设计与控制仿真分析
2.一种新型7自由度上肢康复外骨骼机器人的结构设计和运动学仿真
3.三自由度上肢康复外骨骼结构设计与仿真
4.一种10自由度外骨骼康复机器人结构设计与运动学分析
5.七自由度上肢外骨骼康复机器人设计与仿真
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真
２０１８年８月第４６卷第１５期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＡｕｇ ２０１８Ｖｏｌ ４６Ｎｏ １５ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ １５ ００３收稿日期：２０１７－０３－２３基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（５１５０５２６３）；山东省科技发展计划资助项目（２０１４ＧＧＸ１０３００７）；山东省高等学校科技计划项目（Ｊ１５ＬＢ０８）作者简介：吴俊杰（１９９２ ），男，硕士研究生，研究方向为外骨骼机器人建模㊁仿真与优化㊂Ｅ－ｍａｉｌ：９６１４５１６７３＠ｑｑ ｃｏｍ㊂通信作者：赵彦峻，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｙｊ６２７０１１０＠１６３ ｃｏｍ㊂一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真吴俊杰１，赵彦峻１，张忠东１，乔学昱１，张健２（１．山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０４９；２．苏州纽威阀门股份有限公司，江苏苏州２１５０００）摘要：设计了一种非拟人型下肢外骨骼，主要是由座椅㊁髋关节㊁大腿部结构㊁膝关节㊁小腿部结构㊁踝关节和鞋子依次串联而成，采用电机驱动㊂对下肢外骨骼进行了自由度分配与结构分析，根据坐标变换，运用Ｄ⁃Ｈ法建立下肢外骨骼的运动学模型㊂建立了下肢外骨骼虚拟样机模型，利用多体动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ进行运动学仿真㊂仿真结果验证了理论模型的合理性，为后期进一步研究外骨骼提供了依据㊂关键词：下肢外骨骼；运动学分析；Ｄ⁃Ｈ法；仿真中图分类号：ＴＰ２４２㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１８）１５－０１２－４ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａＮｅｗＴｙｐｅｏｆＰｏｗｅｒＡｓｓｉｓｔｅｄＰｏｒｔａｂｌｅＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｆｏｒＬｏｗｅｒＬｉｍｂｓＷＵＪｕｎｊｉｅ１，ＺＨＡＯＹａｎｊｕｎ１，ＺＨＡＮＧＺｈｏｎｇｄｏｎｇ１，ＱＩＡＯＸｕｅｙｕ１，ＺＨＡＮＧＪｉａｎ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＺｉｂｏＳｈａｎｄｏｎｇ２５５０４９，Ｃｈｉｎａ；２．ＮｅｗａｙＶａｌｖｅ（Ｓｕｚｈｏｕ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，ＳｕｚｈｏｕＪｉａｎｇｓｕ２１５０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｏｎ⁃ａｎｔｈｒｏｐｏｍｏｒｐｈｉｃｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｒｏｂｏｔｄｅｓｉｇｎｅｄｉｓｍａｉｎｌｙｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅｌｙｗｉｒｅｄｉｎｓｅｒｉｅｓｂｙａｓｅａｔ，ａｈｉｐｊｏｉｎｔ，ａｔｈｉｇｈ，ａｋｎｅｅｊｏｉｎｔ，ａｌｅｇ，ａｎａｎｋｌｅａｎｄａｓｈｏｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｄｒｉｖｅｎｂｙａｎｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｉｔｓｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍｗｅｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅＤ⁃Ｈｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ．Ｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍｏｄｅｌｏｆｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｋｉ⁃ｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｕｓｉｎｇｍｕｌｔｉ⁃ｂｏｄｙｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅＡＤＡＭＳ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｒａｔｉｏｎ⁃ａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈｌａｉｄｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｌａｔｅｒｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ；Ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；Ｄ⁃Ｈｍｅｔｈｏｄ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ０㊀前言下肢残疾及老龄化人口的数量急增，给社会㊁家庭和个人生活带来巨大困难，康复训练与老龄人行走问题成了社会需要解决的一大难题㊂下肢外骨骼能够帮助人类解决这个问题，它可以辅助老年人行走，给他们的日常生活带来极大的方便［１］㊂人体下肢外骨骼能够将机器强大的机械能量与人类智能结合起来［２］㊂目前，下肢外骨骼主要运用于军事，例如ＢＬＥＥＸ系列［３］，也有应用于医疗，例如ＨＡＬ系列［４］㊂针对辅助人体行走等问题，设计了一种下肢外骨骼，如图１所示，采用了非拟人型结构设计，与人体无直接绑缚连接，髋关节采用电机驱动，膝关节和踝关节为阻尼装置驱动㊂它可以帮助分担人体质量，有效增强人体的机能，不仅可以用于帮助中老年人行走㊁辅助残疾人行走，还可以应用于某些需要长时间站立㊁行走的工作，以缓解疲劳，提高工作效率㊂图１㊀下肢外骨骼１㊀结构设计１ １㊀自由度分配在研究人体下肢系统的基础上，设置下肢外骨骼双腿具有１２个自由度㊂即每条腿的髋关节保留了屈／伸和外展／内收２个自由度，膝关节仅保留了屈／伸１个自由度，而踝关节保留了屈／伸㊁背屈和跖屈３个自由度㊂鞋子可以弯曲㊂１ ２㊀机械结构设计在设计外骨骼时考虑了身材的兼容性，外骨骼的机械结构可调节其长度，因此其大腿杆㊁小腿杆应预留一定的调整范围［５］㊂根据ＧＢ１００００⁃１９８８‘中国成年人人体尺寸“中测量数据进行设定，采用身高１７００ｍｍ，体重６０ｋｇ为标准，大腿杆的平均长度为４６５ｍｍ，小腿杆的平均长度３６９ｍｍ，以此数据设计外骨骼结构㊂１ ２ １㊀踝关节设计人体踝关节是小腿和脚的连接处，有３个转动自由度，是一处比较关键和灵活的关节也是承受身体质量最多的关节㊂为了使外骨骼更加符合人体工程学，踝关节采用球铰链接，保留了全部自由度，既可以承受较大负荷，也可以实现３维转动㊂同时，考虑到人体脚踝的脆弱性和踝关节转动角度范围，对其进行保护限位，当球铰上部绕球心转动到一定角度时会与鞋子上的安装孔发生干涉，从而起到角度限位作用㊂为了保证踝关节的柔性连接，增加了圆柱压缩弹簧，可以起到储存能量㊁自动回位及缓冲的作用，如图２所示㊂图２㊀踝关节结构１ ２ ２㊀髋关节设计髋关节保留了两个转动自由度㊂由于外骨骼穿戴图３㊀行星齿轮传动简图时置于两腿之间，在该位置，无法直接设计出实际的外骨骼髋关节㊂因此，采用如图３所示的行星轮传动机构，将电机安装在大腿板上，通过半偏轴与小齿轮配合，从而带动小齿轮转动，使得电机㊁大腿机构也绕大齿轮中心转动，如图４所示㊂图４㊀髋关节结构座椅连接板与大齿轮采用螺栓连接，螺母紧固，大齿轮留有一定的活动空间，便于旋转转动，从而实现髋关节的外展／内收运动㊂２㊀外骨骼运动学分析２ １㊀坐标系建立在运动时，空间中末端操作器的位姿与一系列关节变化角度之间的关系是机器人运动学的主要研究内容［６］㊂控制下肢外骨骼的过程中，为了能够实时地了解人体所处的运动状态，需要迅速地获得踝关节位姿与各个关节之间的距离㊂而运动学正向求解就是通过关节变量值求出末端控制器在空间笛卡尔坐标系下的位姿；反之，通过机器人末端的位置和姿态，求出所需的关节变量值即为求运动学逆解㊂外骨骼是一系列由关节连接起来的连杆所组成［７］，对于串联机器人一般运用Ｄ⁃Ｈ法来建立运动学模型［８］㊂由于外骨骼两侧的机械结构为左右对称，而人体的步态周期具有周期性，因此仅对单腿结构进行研究，如图５所示，采用Ｄ⁃Ｈ法对外骨骼机器人右腿建立运动学坐标系［９］，基坐标系Ｏ０在右腿髋关节处，站立姿态为初始零位㊂获得外骨骼的Ｄ⁃Ｈ参数表，见表１㊂表中，θｉ为连杆转角；ａｉ为连杆长度；αｉ为连杆扭角㊂图５㊀外骨骼运动学模型㊃３１㊃第１５期吴俊杰等：一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真㊀㊀㊀表１㊀外骨骼Ｄ⁃Ｈ参数表连杆ｉθｉａｉαｉ１θ１ａ１０ʎ２θ２０９０ʎ３θ３ａ３０ʎ４θ４ａ４０ʎ２ ２㊀正运动学求解在外骨骼所建立的坐标系的基础上，利用齐次变换矩阵将各个坐标系相互联系起来㊂根据表１给出的Ｄ⁃Ｈ参数，计算外骨骼相邻两杆的齐次变换矩阵ｉ－１ｉＴ：０１Ｔ＝Ｔｒａｎｓ（ｘ１，ａ１）１００ａ１０１００００１００００１éëêêêêêùûúúúúú１２Ｔ＝Ｒｏｔ（ｚ１，θ２）㊃Ｒｏｔ（ｘ２，α２）ｃｏｓθ２０ｓｉｎθ２０ｓｉｎθ２０－ｃｏｓθ２００１０００００１éëêêêêêùûúúúúú２３Ｔ＝Ｒｏｔ（ｚ２，θ３）㊃Ｔｒａｎｓ（ｘ３，ａ３）ｃｏｓθ３－ｓｉｎθ３０ａ３ｃｏｓθ３ｓｉｎθ３ｃｏｓθ３０ａ３ｓｉｎθ３００１００００１éëêêêêêùûúúúúú３４Ｔ＝Ｒｏｔ（ｚ３，θ４）㊃Ｔｒａｎｓ（ｘ４，ａ４）ｃｏｓθ４－ｓｉｎθ４０ａ４ｃｏｓθ４ｓｉｎθ４ｃｏｓθ４０ａ４ｓｉｎθ４００１００００１éëêêêêêùûúúúúú将上述齐次坐标变换矩阵依次相乘可以得到外骨骼的坐标变换矩阵０４Ｔ＝０１Ｔ㊃１２Ｔ㊃２３Ｔ㊃３４Ｔ：０４Ｔ＝ｃ２ｃ３４－ｃ２ｓ３４ｓ２ａ４ｃ２ｃ３４＋ａ３ｃ２ｃ３＋ａ１ｓ２ｃ３４－ｓ２ｓ３４－ｃ２ａ４ｓ２ｃ３４＋ａ３ｓ２ｃ３ｓ３４ｃ３４０ａ４ｓ３４＋ａ３ｓ３０００１éëêêêêêùûúúúúú（１）其中ｃ１代表ｓｉｎθ１，ｃ１代表ｃｏｓθ１，ｓ１２代表ｓｉｎ（θ１＋θ２），其他类似㊂若令θ１＝０，θ２＝９０ʎ，θ３＝１４５ʎ，θ４＝７５ʎ，并将有关常量代入到式（１），得到：０４Ｔ＝００１ａ１－０ ７６６０ ６４３０－０ ７６６ａ４－０ ８１９ａ３－０ ６４３－０ ７６６０－０ ６４３ａ４＋０ ５７４ａ３０００１éëêêêêêùûúúúúú这与人体站立时的位姿一致，证明了外骨骼的Ｄ⁃Ｈ坐标系与运动学正解是正确的㊂由式（１）可以得到外骨骼踝关节的运动方程为：ｐｘ＝ａ４ｃ２ｃ３４＋ａ３ｃ２ｃ３＋ａ１ｐｙ＝ａ４ｓ２ｃ３４＋ａ３ｓ２ｃ３ｐｚ＝ａ４ｓ３４＋ａ３ｓ３ìîíïïïï式中：ｐｘ㊁ｐｙ㊁ｐｚ分别为踝关节在ｘ㊁ｙ㊁ｚ方向上的位移㊂２ ３㊀逆运动学求解在工程应用中，逆运动学对于外骨骼的轨迹控制与步态规划更为重要［９］㊂假定已知外骨骼末端位姿矩阵，分别求各关节角度㊂０４Ｔ＝ｎｘｏｘａｘｐｘｎｙｏｙａｙｐｙｎｚｏｚａｚｐｚ０００１éëêêêêêùûúúúúú＝１０Ｔ１２Ｔ２３Ｔ３４Ｔ将方程两端同时左乘１２Ｔ－１０㊀１Ｔ－１即１２Ｔ－１０㊀１Ｔ－１０㊀４Ｔ＝２３Ｔ２３Ｔ联立方程组，可得：ｃ３ｃ４－ｓ３ｓ４＝ｃ２ｎｘ＋ｓ２ｎｙ＝ｏｚｓ３ｃ４＋ｃ３ｓ４＝ｎｚ＝－ｃ２ｏｘ－ｓ２ｏｙａ４ｃ３４＋ａ３ｃ３＝ｃ２ｐｘ＋ｓ２ｐｙ－ａ１ｃ２ａ４ｓ３４＋ａ３ｓ３＝ｐｙｓ２ｐｘ－ｃ２ｐｙ－ａ１ｓ２＝０ìîíïïïïïï可求得：θ２＝Ａｔａｎｐｙｐｘ－ａ１θ４＝Ａｃｏｓｃ２２（ｐ２ｘ＋ａ２１＋２ａ１ｐｘ）－２ｓ２ｃ２（ｐｘｐｙ＋ａ１ｐｙ）－ａ２４－ａ２３２ａ３ａ４θ３＝Ａｔａｎｎｚｏｚæèçöø÷－θ４求解反三角函数往往造成机器人运动学逆解具有多个，为此必须结合实际情况与机械结构特点做出判断，以选择合适的解㊂３ 下肢外骨骼仿真利用ＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳ完成对外骨骼机械结构的几何建模，并导入ＡＤＡＭＳ进行设定，建立虚拟样机，模拟下肢外骨骼在虚拟环境中的运动过程，直观地分析外骨骼运动学［１０－１１］㊂由于文中仅研究外骨骼应用于直线助力辅助行走，所以仅保留人体矢状面内的关节运动，其余平面的关节设置为固定约束㊂依据外骨骼运动特性，以前述公式为基础设置驱动数据［１２］，通过仿真获得了踝关节在运动时Ｙ㊁Ｚ方向的位移曲线和髋关节与膝关节的输出角度变化曲线，如图６㊁图７所示㊂㊃４１㊃机床与液压第４６卷㊀图６㊀踝关节Ｙ㊁Ｚ方向㊀㊀㊀㊀图７㊀髋关节与膝关节输的仿真位移曲线出角度变化曲线由图６获得踝关节在运动过程中的位姿变化曲线，踝关节在Ｙ㊁Ｚ方向做往复运动，在Ｚ方向位移变化最大，为前进方向㊂对比踝关节位移的图６仿真曲线与图８理论曲线，如表２所示，可知两种结果中位移变化存在一定的误差，但总体相差不大，在误差允许范围之内，理论曲线更加连续平缓㊂外骨骼髋关节与膝关节的输出角度变化曲线符合人体正常运动的步态，证明可以实现携带人体行走㊂图８㊀踝关节Ｙ㊁Ｚ方向的理论位移曲线表２㊀踝关节位移值时间／ｓ００ ５１ ０１ ５２ ０踝关节仿真Ｙ位移／ｍｍ０－３６００３２１７踝关节理论Ｙ位移／ｍｍ２－３６５－３２３２６－８髋关节仿真Ｙ位移／ｍｍ０１３５０６５３髋关节理论Ｙ位移／ｍｍ－７１２４１３５７７４㊀总结介绍了下肢外骨骼的基本结构设计，对自由度进行分配，并以此为基础，利用坐标变换与Ｄ⁃Ｈ法建立运动学模型，求出机器人正㊁逆运动学解，建立脚踝部与各关节角度之间的关系㊂最后，根据现实应用环境，对外骨骼运用仿真软件ＡＤＡＭＳ进行运动学仿真㊂仿真结果证明了外骨骼结构的合理性，行走步态与人的步态相同，为后续工作提供了理论基础与数据参考㊂参考文献：［１］沈凌，孟青云，喻洪流．基于虚拟样机技术的下肢假肢结构设计与仿真［Ｊ］．工程设计学报，２０１１，１８（１）：３４－３７．ＳＨＥＮＬ，ＭＥＮＧＱＹ，ＹＵＨＬ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＬｅｇＰｒｏｓｔｈｅｓｉｓＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢａｓｅｄｏｎＶｉｒｔｕａｌＰｒｏｔｏｔｙｐｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ，２０１１，１８（１）：３４－３７．［２］ＹＡＮＧＣＪ，ＮＩＵＢ，ＣＨＥＮＹ．ＡｄａｐｔｉｖｅＮｅｕｒｏ⁃ｆｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌＢａｓｅｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＷｅａｒａｂｌｅＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＬｅｇｆｏｒＨｕ⁃ｍａｎＷａｌｋｉｎｇＰｏｗｅｒＡｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥＩｎ⁃ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭｅｃｈａｔｒｏｎ⁃ｉｃｓ．Ｍｏｎｔｅｒｅｙ．Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，２００５：４６７－４７２．［３］ＺＯＳＳＡ，ＫＡＺＥＲＯＯＮＩＨ，ＣＨＵＡ．ＯｎｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｅ⁃ｓｉｇｎｏｆｔｈｅＢｅｒｋｅｌｅｙＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ（ＢＬＥ⁃ＥＸ）［Ｃ］／／ＩＥＥＥ／ＲＳＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎｔｅｌｌ⁃ｇｅｎｔＲｏｂｏｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．Ｅｄｍｏｎｔｏｎ，２００５：３１３２－３１３９．［４］王伟．可穿戴机器人的研究现状和面临的挑战［Ｊ］．机器人技术与应用，２０１３（４）：１２－１６．［５］赵彦峻，葛文庆，刘小龙，等．外骨骼机器人设计及其机械结构的有限元分析［Ｊ］．机床与液压，２０１６，４４（３）：１０－１３．ＺＨＡＯＹＪ，ＧＥＷＱ，ＬＩＵＸＬ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＲｏｂｏｔａｎｄＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１６，４４（３）：１０－１３．［６］崔谨想．下肢外骨骼机器人系统建模与仿真实验研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１４．［７］理查德㊃摩雷，李泽湘，夏恩卡．萨思特里．机器人操作的数学导论’Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８：４５－４９．［８］许路航，王钰，王志乐．上肢外骨骼运动的逆向求解仿真［Ｊ］．科学技术与工程，２０１１，１１（１４）：３３３１－３３３５．ＸＵＬＨ，ＷＡＮＧＹ，ＷＡＮＧＺＬ．ＲｅｓｅｒｖｅＳｏｌｖｉｎｇａｎｄＳｉｍｕ⁃ｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＭｏｔｉｏｎｏｆＵｐｐｅｒ⁃ｌｉｍｂＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，１１（１４）：３３３１－３３３５．［９］ＳＡＮＴＩＳＡＤ，ＳＩＣＩＬＩＡＮＯＢ．ＩｎｖｅｒｓｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆＲｏｂｏｔＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｗｉｔｈＭｕｌｔｉｐｌｅＭｏｖｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＰｏｉｎｔｓ［Ｍ］／／ＬＥＮＡＲＣ㊅ＩＣ㊅Ｊ，ＷＥＮＧＥＲＰ．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＲｏｂｏｔＫｉｎｅｍａｔｉｃｓ：ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ．Ｂｅｒｌｉｎ：ＳｐｒｉｎｇｅｒＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，２００８：４２９－４３８．［１０］易嘉伟，程文明，濮德璋．携行式外骨骼下肢运动学分析与仿真［Ｊ］．机械设计制造，２０１４（２）：１７１－１７４．ＹＩＪＷ，ＣＨＥＮＧＷＭ，ＰＵＤＺ．ＴｈｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＰｏｒｔａｂｌｅＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２０１４（２）：１７１－１７４．［１１］梁青，宋宪玺，周烽，等．基于ＡＤＡＭＳ的双足机器人建模与仿真［Ｊ］．计算机仿真，２０１０，２７（５）：１６２－１６５．ＬＩＡＮＧＱ，ＳＯＮＧＸＸ，ＺＨＯＵＦ，ｅｔａｌ．ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕ⁃ｌａｔｉｏｎｏｆＢｉｐｅｄＲｏｂｏｔＢａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２０１０，２７（５）：１６２－１６５．［１２］刘小龙，赵彦峻，葛文庆，等．医疗助力下肢外骨骼设计及动力学仿真分析［Ｊ］．工程设计学报，２０１６，２３（４）：３２７－３３２．ＬＩＵＸＬ，ＺＨＡＯＹＪ，ＧＥＷＱ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｙｎａｍｉｃｓＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｅｄｉｃａｌＤｉｓａｂｌｅｄＬｏｗｅｒＬｉｍｂＥｘｏ⁃ｓｋｅｌｅｔｏｎ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ，２０１６，２３（４）：３２７－３３２．（责任编辑：卢文辉）㊃５１㊃第１５期吴俊杰等：一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真㊀㊀㊀。
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
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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
下肢外骨骼机构的研究与仿真
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
国内外研究现状
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
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。
7-DOF下肢外骨骼机器人机构的设计与研究的开题报告
7-DOF下肢外骨骼机器人机构的设计与研究的开题报告一、选题背景近年来，随着机器人技术的不断发展，外骨骼机器人（Exoskeleton Robot）作为一种新型的智能辅助装置在行业中得到越来越广泛的应用。
下肢外骨骼机器人是一种可以辅助或协助下肢运动的装置，在长时间的行走、站立或者康复和康复训练等领域具有潜在的应用价值。
目前，已经有许多外骨骼机器人研究，但是尚缺乏一种结构简单、性能稳定的、适用于日常生活的下肢外骨骼机器人。
本文选题旨在研究设计一种7-DOF下肢外骨骼机器人，通过机构设计和控制算法的优化，实现下肢的正常运动与支持，提高人体行走和站立的舒适度和稳定性，为下肢残疾人提供帮助。
本文重点研究外骨骼机器人的机构设计，包括机器人的关键部件设计、力学建模、运动学正反解等，为下一步的控制算法优化提供基础。
二、研究内容1. 下肢外骨骼机器人的现状和前景：对外骨骼机器人的应用领域、发展历程、技术架构、性能等进行概述。
2. 外骨骼机器人的机构设计：对机器人的机构设计进行详细阐述，包括构想设计、CAD制图、运动学正反解等。
3. 运动控制算法：建立机器人的动力学模型，设计运动轨迹规划和控制算法，对机器人进行仿真测试。
4. 系统整体性能测试：设计测试系统，对外骨骼机器人进行整体性能测试，包括功率消耗、运动稳定性、负载能力等。
三、研究意义本研究将有助于深入了解下肢外骨骼机器人的基本原理和机构设计，开发一款适合日常生活的外骨骼机器人，提高下肢残疾人的生活质量。
同时，本研究也可为机器人控制算法提供基础，为机器人技术应用提供新的思路和方法。
四、研究计划1. 第一阶段（6个月）：研究现有下肢外骨骼机器人技术，进行机构设计和运动学正反解等基础研究。
2. 第二阶段（6个月）：完成力学建模和控制算法设计，进行仿真测试和性能分析。
3. 第三阶段（6个月）：进行外骨骼机器人的系统测试和性能验证，并进行改进和优化。
五、预期结果1. 完成下肢外骨骼机器人的机构设计和运动控制算法的优化。
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]。
下肢康复外骨骼机器人模糊PID控制研究与仿真
&( *)+!) ,")" -!) ,.!)# )
)(#
"##
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。
下肢康复外骨骼机器人研究
下肢康复外骨骼机器人研究摘要：康复是一种针对患有运动障碍或功能障碍的个体进行恢复和改善的治疗过程。
许多因素，如运动损伤、脑卒中、脊髓损伤和肌肉骨骼疾病，都可能导致患者丧失下肢功能。
康复领域面临着许多挑战，包括长期的治疗过程、康复效果的不确定性以及患者在康复训练中可能遇到的困难。
关键词：下肢康复；外骨骼机器人；研究引言在过去的几十年中，随着科技的进步，外骨骼机器人逐渐出现并得到了广泛的发展。
外骨骼机器人是一种结合了机械、电子和计算技术的装置，可以附着在患者的身体上，并通过传感器和运动控制系统来辅助或代替患者的肢体功能。
它们为下肢康复提供了全新的解决方案，可以帮助患者重建肌肉力量、改善步态和平衡，促进康复过程。
1. 外骨骼机器人技术原理1.1 机械结构与设计外骨骼机器人的机械结构和设计是其基础和核心。
机械结构主要由支撑骨架、关节和连接件组成，这些组件构成了一个与人体下肢相似的框架。
设计时需要考虑机器人的重量、稳定性、舒适度和便携性，以确保患者在佩戴外骨骼机器人时感到舒适且可以自由移动。
随着技术的进步，一些外骨骼机器人采用轻质材料，如碳纤维复合材料，以降低重量和提高强度。
同时，采用人体工程学原理来设计机械结构，使得外骨骼机器人与患者的身体形状更加匹配，减少不适感并提高运动效率。
1.2 传感技术与运动控制传感技术在外骨骼机器人中起着至关重要的作用，它能够实时感知患者的运动意图和姿态，从而准确地控制机器人的动作。
常见的传感器包括惯性测量单元（IMU）、压力传感器、表面肌电图（sEMG）传感器等。
IMU传感器可以测量机器人在空间中的运动和姿态，用于反馈患者的步态和平衡状态。
压力传感器可以监测脚底的接触力，帮助外骨骼机器人根据地面反馈调整支撑力度。
sEMG传感器用于测量肌肉的电活动，可以帮助机器人感知患者的运动意图，并实现与人体的协同运动。
运动控制是通过传感器获取的数据进行处理和计算，从而实现外骨骼机器人的动作控制。
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。
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。
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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
国内外研究现状
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
国内外研究现状
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
国内外研究现状
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。
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
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。
国内外研究现状
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
图片来自 /0105910/imag es/lokomat_1.jpg
国内外研究现状
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.
国内外研究现状
清华大学研制的卧式下肢康复训练机器人样机
国内外研究现状
国内外研究现状
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