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下肢助残助力康复外骨骼机器人步态规划与步态控制研究

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下肢助残助力康复外骨骼机器人步态规划与步态控制研究

作者：刘鹏吉林农业大学

学位级别：硕士

下肢外骨骼机器人是一种典型的人机交互设备,在工业领域、军工领域、康复医疗领域都有着广阔的应用前景。其技术涉及到结构、材料、传感器、运动意图识别、运动控制等多个方面。本文提出一种可穿戴的下肢助残助力康复外骨骼机器人,将从... 详细信息

下肢外骨骼机器人是一种典型的人机交互设备,在工业领域、军工领域、康复医疗领域都有着广阔的应用前景。其技术涉及到结构、材料、传感器、运动意图识别、运动控制等多个方面。本文提出一种可穿戴的下肢助残助力康复外骨骼机器人,将从人体步态采集、运动学与动力学分析、步态规划、控制策略四个方面展开研究。步态的变化是人体步行时最典型的运动特征,步态信息的采集是外骨骼机器人步态运动实现的前提。本文搭建可穿戴式人体步态采集系统,设计足底压力采集设备和关节运动信息采集设备。为保证所采集数据的正确性,设计标定试验和适应性试验,排除不同测试环境对数据采集的影响。在此基础上,采集人体下肢关节角度运动信息、足底压力变化的有效数据。在运动学与动力学分析方面,本文使用D-H参数法建立下肢助残助力康复外骨骼机器人运动学模型,通过正运动学和逆运动学分析,得到末端关节在绝对坐标系中的空间位置与姿态以及各关节角度。使用拉格朗日法分别建立下肢助残助力康复外骨骼机器人单腿支撑行走7杆模型与双腿支撑行走7杆模型,并得到相应的拉格朗日函数和拉格朗日方程。对于步态规划方面,本文先对外骨骼机器人进行稳定性分析,使用模糊逻辑步态法对采集到的足底压力变化信息进行步态分相。其次利用三次样条插值法和Matlab建模对下肢助残助力康复外骨骼机器人的各个关节运动曲线实现参数化,并使用Matlab对其进行仿真,验证规划的合理性与有效性。最后,提出基于模型补偿的PD控制策略,设计控制器,进行稳定性分析和仿真分析,并针对此方法存在建模误差、外界扰动等问题,进而提出基于计算力矩法的滑模控制策略。通过Simulink仿真研究得出,基于计算力矩法的滑模控制有着较好的鲁棒性,可以实现对下肢助残助力康复外骨骼机器人步态关节运动轨迹的跟踪控制。并搭建下肢助残助力康复外骨骼机器人试验平台,进行空载试验和穿戴平地行走试验,试验结果表明,步态规划合理,基于计算力矩法的滑模控制策略可以有效的控制下肢助残助力康复外骨骼机器人,并具有较好的稳定性。

关键词：下肢助残助力康复外骨骼机器人步态采集步态规划轨迹跟踪控制策略

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可动躯干六足机器人步态规划与稳定性分析

可动躯干六足机器人步态规划与稳定性分析

作者：刘思民山东大学

学位级别：硕士

足式机器人具有落地点零散、容错性强以及适应地形多等特点,而六足机器人因其较好的稳定性以及灵活性逐渐成为足式机器人研究中的热点内容。传统六足机器人多数采用刚性躯干,而从自然界来看,六足动物普遍具有分节式可自主运动的躯干,可... 详细信息

足式机器人具有落地点零散、容错性强以及适应地形多等特点,而六足机器人因其较好的稳定性以及灵活性逐渐成为足式机器人研究中的热点内容。传统六足机器人多数采用刚性躯干,而从自然界来看,六足动物普遍具有分节式可自主运动的躯干,可用于实现奔跑、旋转、跳越以及攀爬等一系列动作,运动形式包括俯仰运动、扭转运动以及俯仰扭转混合运动。受此现象启发,本论文提出一种躯干可自主运动的六足机器人,并搭建实验平台,研究可动躯干机器人运动过程中的运动学、步态及稳定性等基础问题,主要内容分为以下四个方面。首先,从六足动物的运动行为入手,基于仿生学原理总结其运动形式,并设计可动躯干六足机器人的三维模型。基于D-H运动学建模方法以及向量式运动学建模方法建立两种运动学模型。在D-H运动学基础上,对足端运动曲线进行轨迹规划及优化,建立机器人足端运动曲线与关节转角的关系,将MATLAB数值计算结果与ADAMS动力学仿真进行对比,验证其正确性。在向量式建模的基础上,分析分段结构对迈步步长的影响,给出最大步幅与可动躯干转角之间的关系;基于单腿摆动回旋理论,计算抬腿高度。其次,研究可动躯干六足机器人的步态规划问题。首先利用ADAMS软件对三足步态、波浪步态及原地转弯步态三种基本运动形式进行仿真,验证结构设计的可靠性。针对转向步态,研究躯干的转动自由度对其转弯半径的影响;针对容错步态,利用可动躯干解决三足容错步态的倾倒问题,并分别设计其运动方式,通过仿真验证规划步态的正确性。再次,对可动躯干六足机器人的稳定性问题进行研究。研究机器人在快速、慢速及载物运动时的稳定性判定问题。考虑机器人各支腿的重力、重力矩、惯性力和惯性力矩,计算机器人的零力矩点;简化机器人慢速状态时的受力,考虑质心投影与支撑三角形的关系,分析静态稳定裕度;采用力-角稳定锥法,分析载物时重力和惯性力的合力与支撑边际之间的夹角。研究髋关节偏转角对稳定裕度的影响,采用多项式拟合两者之间的关系。基于静态稳定裕度模型搭建ADAMS-MATLAB联合仿真,利用MATLAB中的SIMULINK可视化仿真模块,输出机器人的稳定性状况。最后,对可动躯干六足机器人的控制系统进行整体设计,并搭建物理实验样机。对本文步态规划理论及稳定性分析进行实验研究,通过姿态传感器获取位姿数据,验证理论分析的正确性。

关键词：可动躯干六足机器人步态规划稳定性分析

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下肢外骨骼视觉感知与步态规划研究

下肢外骨骼视觉感知与步态规划研究

作者：曹泽阳杭州电子科技大学

学位级别：硕士

下肢外骨骼机器人作为一种辅助步行功能障碍患者进行下肢康复的可穿戴设备,近年来在医疗康复等领域做出了较大贡献。下肢外骨骼的协调控制依赖于多种关键技术,其中,步态规划技术用于实现外骨骼步态轨迹生成,是外骨骼控制领域的技术难点... 详细信息

下肢外骨骼机器人作为一种辅助步行功能障碍患者进行下肢康复的可穿戴设备,近年来在医疗康复等领域做出了较大贡献。下肢外骨骼的协调控制依赖于多种关键技术,其中,步态规划技术用于实现外骨骼步态轨迹生成,是外骨骼控制领域的技术难点之一。采用固定步态轨迹进行运动的外骨骼灵活度不足,具有很大的局限性。此外,目前的外骨骼机器人大多缺乏对于行走场景的主动感知能力。本论文针对外骨骼的视觉感知与步态规划技术进行研究,主要研究内容如下:(1)针对现有的下肢外骨骼机器人缺乏对于行走场景的识别能力以及对特殊材质楼梯的参数估计精度较低的问题,本研究通过为外骨骼添加深度相机赋予外骨骼视觉感知的能力,并针对深度相机生成的点云提出了一种基于平面检测的鲁棒楼梯参数估计方法。本研究通过构建Rep VGG模型对深度相机获取到的RGB图像进行场景识别。在检测为楼梯的场景,分别通过基于线条轮廓识别的楼梯参数估计与基于平面检测的鲁棒楼梯参数估计算法对楼梯点云进行参数估计。实验结果表明,能够同时利用点云的RGB颜色和法向量信息的基于平面检测的鲁棒楼梯参数估计算法在4种楼梯场景的宽度和高度的识别误差分别为2.77%和5.96%,相比其它参数估计方法取得了更好的参数估计精度。(2)针对现有的下肢外骨骼机器人上楼梯方案无法根据场景进行切换以及不能根据不同尺寸的台阶进行自适应调整的问题,本文提出了一种能够适应场景切换以及不同尺寸台阶的外骨骼上楼梯步态规划方法。本研究构造了基于过点运动基元的轨迹规划模型,将采集到的步态轨迹曲线作为源轨迹输入模型进行训练。根据场景识别算法的识别结果,将外骨骼上楼梯分为三个阶段分别进行步态规划。在每个阶段根据台阶参数与步态参数设置关键点,通过过点运动基元模型对步态轨迹进行规划调制。最后,在进行步态规划模型评估实验的过程中,本文验证了所提出的上楼梯步态规划方法的有效性。实验结果表明,所提出的步态规划方法可以产生准确的轨迹,其与人体穿戴后实际运行的轨迹误差在1cm左右,效果较好。(3)针对现有的下肢外骨骼上位机系统缺少视觉感知与步态信息管理功能的问题,本研究设计实现了一个系统。在运动控制方面,该系统通过有线串口与无线WIFI相结合的控制方式来向下肢外骨骼发送控制命令,整个系统主要包含视觉感知与步态信息管理两个功能模块。在视觉感知模块,该系统通过深度相机实时对当前外骨骼的行走场景进行识别,对楼梯场景进行参数识别。在步态信息管理模块,可以管理外骨骼使用者的用户个人信息,并生成最适合当前用户个人特征的步态轨迹。

关键词：下肢外骨骼场景识别楼梯参数估计步态规划过点运动基元

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下肢外骨骼机器人的步态规划及轨迹跟踪控制

下肢外骨骼机器人的步态规划及轨迹跟踪控制

作者：朱永壮曲阜师范大学

学位级别：硕士

随着我国逐渐进入深度老龄化社会,下肢运动障碍患者数目与日俱增,外骨骼机器人作为下肢运动障碍患者的有力康复工具逐渐展露在大众视野。相比于传统康复手段的高成本和康复效果不佳等缺陷,下肢外骨骼机器人以智能、科学、精准和康复效... 详细信息

随着我国逐渐进入深度老龄化社会,下肢运动障碍患者数目与日俱增,外骨骼机器人作为下肢运动障碍患者的有力康复工具逐渐展露在大众视野。相比于传统康复手段的高成本和康复效果不佳等缺陷,下肢外骨骼机器人以智能、科学、精准和康复效率高等突出优势获得了广大下肢运动障碍患者的青睐,成为众多科研单位的重点研究方向。下肢外骨骼机器人作为穿戴式康复设备,其步态稳定性和控制器跟踪精度是亟需解决的关键问题。针对这两个问题,本论文展开了下肢外骨骼机器人步态规划和控制器设计的研究。主要研究内容如下:(1)为了更加合理地建立下肢外骨骼机器人的运动学和动力学抽象模型,从运动解剖学的角度对人体下肢结构与运动特性进行了分析研究。掌握人体下肢正常步态的关节角度变化规律是顺利完成机器人步态规划的理论基础,为此设计了一种便携式步态采集系统,并邀请志愿者进行数据采集实验,分析总结人体正常行走时的下肢运动规律。(2)针对下肢外骨骼机器人的步态轨迹规划问题,设计了一种ZMP稳定性理论和AGA-PSO参数优化相结合的步态轨迹规划方法。首先基于人体步态特性和ZMP稳定性理论,对下肢外骨骼机器人的起步阶段、周期性步态阶段以及止步阶段进行步态规划。然后在粒子群算法的基础上,设计了AGA-PSO寻优算法对步态参数进行优化。最后对优化后的步态轨迹进行ZMP稳定性分析,并通过仿真验证了所规划步态轨迹的稳定性。(3)针对下肢外骨骼机器人的轨迹跟踪控制问题,设计了一种神经网络滑模控制器。考虑到外界干扰等因素影响,使用拉格朗日法对机器人系统进行动力学分析。然后基于动力学模型设计了滑模控制器,并通过构造趋近律加快系统的趋近速度。为了进一步提升控制器效果,引入神经网络对系统建模不确定项补偿逼近,从而构造了一种神经网络滑模控制器。实验仿真结果表明,设计的神经网络滑模控制器与滑模控制器相比,提高了系统的跟踪精度和动态品质,实现了步态轨迹的有效跟踪。(4)搭建实验平台,对所设计的理论算法进行实验验证。搭建下肢外骨骼机器人实验平台,介绍实验设备的硬件设计、软件设计以及控制系统原理。基于理论算法和实验平台进行步态轨迹跟踪实验,实验结果表明,下肢外骨骼机器人可以有效跟踪期望的步态轨迹并保持稳定,验证了所设计理论算法的可行性。

关键词：下肢外骨骼机器人步态采集步态规划轨迹跟踪

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四足变胞爬行机器人步态规划与运动特性

中南大学学报（自然科学版） 2018年第9期49卷 2168-2177页

作者：赵欣康熙戴建生天津大学现代机构学与机器人学国际中心天津300350 国王学院机械工程系英国伦敦WC2R2LS

为解决绝大多数足式机器人的腰部是固定不可变的问题,研究一种腰部可变的四足爬行机器人,并分析腰部和腿部的形态,从数学上给出腰部构态变换的条件。另外,考虑腰部可变设计出扭腰直行步态和扭腰原地旋转步态,并将其与传统步态进行比较,... 详细信息

为解决绝大多数足式机器人的腰部是固定不可变的问题,研究一种腰部可变的四足爬行机器人,并分析腰部和腿部的形态,从数学上给出腰部构态变换的条件。另外,考虑腰部可变设计出扭腰直行步态和扭腰原地旋转步态,并将其与传统步态进行比较,分析不同步态在稳定裕度、活动空间和通过狭窄弯道等方面不同的优势。最后,研究腰部变胞使机器人在足尖活动空间、视觉观察等方面具有的特征,显示所设计的机器人对环境的适应能力。研究结果表明:可基于变胞机构设计爬行机器人腰部使其构态可变,腰部构态可变可以提高四足机器人的灵活性和环境适应能力。

关键词：四足变胞爬行机器人腰部构态步态规划运动特性

6-URU支链四面体移动机构的越障步态规划

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机械工程学报 2021年第23期57卷 85-96页

作者：赵子铭李晔卓姚燕安李锐明张倩倩北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京理工大学智能机器人与系统高精尖创新中心北京100081

针对多面体机器人的高地面适应性需求,提出一种适用于四面体移动机构的高质心攀爬越障方法,能够通过三自由度同步变形提升质心高度有效提升攀爬能力。首先,基于四面体移动机构的支撑区域对其移动轨迹进行三角形网格划分,在台阶障碍进行... 详细信息

针对多面体机器人的高地面适应性需求,提出一种适用于四面体移动机构的高质心攀爬越障方法,能够通过三自由度同步变形提升质心高度有效提升攀爬能力。首先,基于四面体移动机构的支撑区域对其移动轨迹进行三角形网格划分,在台阶障碍进行投影畸变,由此规划出该机构针对台阶障碍的分步越障阶段,通过构造凹多面体包附障碍提升攀爬高度。针对高质心攀爬步态的各个阶段分别建立临界状态运动学模型,通过齐次变换矩阵得到机构质心坐标关于障碍高度和障碍距离的表达式,根据数值算法得到最大越障高度随驱动角和障碍距离的变化曲线,执行至不同障碍阶段以实现不同高度障碍的越障攀爬。建立仿真模型,验证越障分析过程合理性。制作一台样机,对高质心攀爬越障步态进行可行性验证。

关键词：四面体机构移动机构运动规划越障能力步态规划

基于马尔可夫决策过程的六足机器人自由步态规划

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机器人 2015年第5期37卷 529-537页

作者：李满宏张建华张小俊张明路河北工业大学机械工程学院天津300130 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150080

为精细模仿生物步态,充分发挥六足机器人运动潜能,本文在离散化机器人足端轨迹的基础上,融合中枢模式发生器(CPG)模型与反射模型,建立了离散化步态模型,基于稳定性分析,构建了机器人稳定的位置状态空间,将复杂的步态规划问题等效转化为... 详细信息

为精细模仿生物步态,充分发挥六足机器人运动潜能,本文在离散化机器人足端轨迹的基础上,融合中枢模式发生器(CPG)模型与反射模型,建立了离散化步态模型,基于稳定性分析,构建了机器人稳定的位置状态空间,将复杂的步态规划问题等效转化为稳定的位置状态空间中位置状态间的排序问题,在此基础上,提出了一种自由步态生成算法;并基于处理顺序决策问题的马尔可夫决策过程,以平均稳定裕量为优化指标,针对特定地形研究自由步态的优化算法.样机步态实验结果表明,自由步态生成算法与优化算法均可生成在一定程度上符合生物运动特点的稳定步态,且自由步态优化算法可针对特定地形快速规划出基于平均稳定裕量的最优步态.

关键词：六足机器人自由步态步态规划马尔可夫决策过程离散化

基于Matlab的仿壁虎机器人仿生步态规划与仿真

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高技术通讯 2011年第2期21卷 185-190页

作者：张晓峰俞志伟张昊阮鹏戴振东南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 南京航空航天大学机电学院南京210016

在深入观察分析壁虎爬行步态的基础上，针对其非连续约束变结构运动特点，进行了新型仿壁虎机器人的运动学分析，设计了一种前脚掌姿态和落点位置参数可调的仿生多步态规划方法，以弥补现有的步态规划方法中存在的运动协调性差、适用面... 详细信息

在深入观察分析壁虎爬行步态的基础上，针对其非连续约束变结构运动特点，进行了新型仿壁虎机器人的运动学分析，设计了一种前脚掌姿态和落点位置参数可调的仿生多步态规划方法，以弥补现有的步态规划方法中存在的运动协调性差、适用面窄等不足。基于Matlab软件平台开发了仿生步态规划程序，分析比较了仿壁虎机器人在对角和三角步态下的仿真实验结果，结果表明，仿壁虎机器人运动协调稳定，能够实现不同环境下的步态要求，验证了仿生步态规划方法的正确性和可行性，为基于不同环境下多步态数据生成奠定了基础。

关键词：仿壁虎机器人步态规划 Matlab 仿生

维普期刊数据库评论

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基于多维度空间耦合的六足机器人步态规划

中国机械工程 2017年第23期28卷 2829-2838页

作者：艾青林阮惠祥陈教料应申舜浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室杭州310014

针对现有机身工作空间求解算法不适用于非平坦地形下六足机器人步态规划的问题,提出一种基于多维度空间耦合算法的机身工作空间求解方法,并将其应用于机器人在非平坦地面运动的步态规划中。将机身工作空间分为三个子空间,解析三个子空... 详细信息

针对现有机身工作空间求解算法不适用于非平坦地形下六足机器人步态规划的问题,提出一种基于多维度空间耦合算法的机身工作空间求解方法,并将其应用于机器人在非平坦地面运动的步态规划中。将机身工作空间分为三个子空间,解析三个子空间边界方程,耦合得出机身工作空间,在此基础上,解析机身位姿与站立腿关节转角之间的映射关系,完成机身运动规划。仿真和样机实验结果对比表明:与采用传统机身运动规划算法的步态相比,所提方法能够减小摆动腿足端偏移量和机身姿态角变化幅度,并且能够保证机器人具有更高的步态稳定裕度,使机器人获得更好的步态稳定性。

关键词：六足机器人子空间耦合机身工作空间机身运动步态规划