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下肢康复机器人轨迹自适应滑模阻抗控制

吉林大学学报（工学版） 2016年第5期46卷 1602-1608页

作者：曹福成邢笑雪李元春赵希禄吉林大学通信工程学院长春130022 长春大学电子信息工程学院长春130022 长春工业大学电气与电子工程学院长春130012 日本琦玉工业大学工学部

针对下肢康复机器人训练任务规划和主动康复控制问题,提出了一种能够根据受损患肢病况进行步态轨迹规划的策略,并设计了可实现主动康复训练的控制算法。步态轨迹规划能够根据不同患肢按需自适应调整训练任务轨迹与正常步态轨迹的偏离程... 详细信息

针对下肢康复机器人训练任务规划和主动康复控制问题,提出了一种能够根据受损患肢病况进行步态轨迹规划的策略,并设计了可实现主动康复训练的控制算法。步态轨迹规划能够根据不同患肢按需自适应调整训练任务轨迹与正常步态轨迹的偏离程度,阻抗控制可以提高训练中受损患肢的主动参与力,自适应滑膜控制可以消除机器人结构模型的参数不确定性和训练过程中因肌肉痉挛等造成的外力干扰,并且对系统的非线性有一定的鲁棒作用。实验结果表明,该方法能够有效地解决不同受损患肢步态康复训练的自适应任务规划和主动康复训练过程中的柔顺运动控制,任务轨迹跟踪精度较高。

关键词：自动控制技术康复机器人步态轨迹规划阻抗控制滑模控制自适应控制

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角加速度平滑的可变类圆周下肢康复步态规划

中国康复理论与实践 2021年第6期27卷 621-626页

作者：陈琳夏凯张学涛杨思创潘海鸿广西大学机械工程学院广西南宁市530004 广西南宁丁一科技有限公司广西南宁市530004

目的解决下肢康复机器人圆周步态训练时,在周期运动衔接处由角加速度突变导致机器人腿部抖动的问题。方法提出一种类圆周步态,将周期运动分为起始段、中间段和结束段三段,起始段和结束段时间区间大小相同且可随参数ratio调整,两段的关... 详细信息

目的解决下肢康复机器人圆周步态训练时,在周期运动衔接处由角加速度突变导致机器人腿部抖动的问题。方法提出一种类圆周步态,将周期运动分为起始段、中间段和结束段三段,起始段和结束段时间区间大小相同且可随参数ratio调整,两段的关节轨迹使用五次多项式规划,中间段仍为圆周步态关节轨迹。并对提出的类圆周步态轨迹进行仿真。结果不同ratio下的类圆周步态在周期过渡时角速度连续可导且为0,角加速度连续且为0,末端轨迹随ratio变大而逐渐变得扁平。在下肢康复机器人物理样机上进行实验验证,实验结果与仿真结果基本一致,且机器运行平稳。结论提出的可变类圆周步态在周期运动衔接处角加速度平滑,可有效解决使用圆周步态进行下肢康复训练时的抖动问题,避免对患者的二次伤害。

关键词：下肢康复机器人步态轨迹规划运动学分析五次多项式

基于人体步态特征的下肢康复机器人自适应控制研究

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基于人体步态特征的下肢康复机器人自适应控制研究

作者：李东琦北京建筑大学

学位级别：硕士

近年来,我国已经进入老龄化社会。因脑卒中,脊髓损伤或其他疾病导致下肢行动障碍的人数仍在不断增长。为使这类人群恢复行走机能,需要帮助他们进行下肢康复训练。通过康复医师手动辅助病人进行康复训练是一个有效的方法,但专业康复医护... 详细信息

近年来,我国已经进入老龄化社会。因脑卒中,脊髓损伤或其他疾病导致下肢行动障碍的人数仍在不断增长。为使这类人群恢复行走机能,需要帮助他们进行下肢康复训练。通过康复医师手动辅助病人进行康复训练是一个有效的方法,但专业康复医护人员数量毕竟有限。在这一背景下,机器人辅助康复治疗由于康复效率高,康复效果好等优点已经越来越多地帮助运动障碍患者进行康复训练。为保证患者的康复训练安全高效,本文基于人体步态运动数据,结合一款闭链卧式下肢康复机器人建立动力学模型,对于不同的康复训练控制策略进行研究,并通过仿真进行实验验证和结果分析。本文的主要研究内容如下:(1)人体下肢运动机理分析。首先分析了下肢康复的神经可塑性原理,研究不同康复阶段患者下肢的运动和肌肉状况,为后文控制策略研究提供理论基础;之后介绍人体下肢结构及步态周期特征,结合人体下肢运动数据,拟合得到髋、膝、踝三关节的运动轨迹方程和运动角度曲线作为控制系统的参考轨迹,并通过Opensim系统计算得到下肢运动过程中的关节力矩变化。(2)下肢康复机器人动力学建模。基于闭链卧式下肢康复机器人结构设计了四种运动模式。建立单腿机械结构简图,使用拉格朗日方法进行动力学分析。由于被动康复阶段和主动康复阶段的特点不同,在建模过程中考虑到人体下肢与机器人连杆的耦合作用,建立了基于被动训练和基于主动训练的两种不同动力学模型。(3)基于不同康复阶段的自适应控制器设计。针对康复前期阶段设计了被动训练控制策略。首先提出基于计算力矩法的PD反馈控制,并在该算法的基础上建立康复机器人集总未知函数,并采用RBF神经网络对其进行逼近估计实现自适应补偿控制。最后采用李雅普诺夫函数证明该算法的稳定性,并通过仿真对比实验分析了该算法的有效性;针对下肢康复后期阶段设计了主动训练控制策略。将阻抗控制模块与位置控制结合提高系统的柔顺性,开展人机交互力分析,分析每个阻抗参数不同取值对控制效果的影响,并通过仿真实验证明算法的有效性。(4)下肢康复机器人实验系统的搭建。设计康复机器人单腿物理样机,进行元件选型与设计,并搭建实验平台,通过被动运动实验进行模拟康复验证。

关键词：下肢康复机器人步态轨迹规划计算力矩法 RBF自适应控制阻抗控制

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足轮混合式助行机器人构型与控制方法研究

足轮混合式助行机器人构型与控制方法研究

作者：崔梦雅河北工业大学

学位级别：硕士

随着年龄的增长,老年人身体机能退化,各肢体肌肉力量明显下降。下肢肌肉力量的衰退会导致膝关节力矩不足,致使人站立运动困难。由于站立运动比步行运动需要更大的膝关节力矩,所以大部分老年人有行走能力但是站立困难。步行运动是老年人... 详细信息

随着年龄的增长,老年人身体机能退化,各肢体肌肉力量明显下降。下肢肌肉力量的衰退会导致膝关节力矩不足,致使人站立运动困难。由于站立运动比步行运动需要更大的膝关节力矩,所以大部分老年人有行走能力但是站立困难。步行运动是老年人保持健康状态的重要形式。为满足老年人户外步行运动的需求,减轻家庭负担,本文提出一种足轮混合式助行机器人。论文的主要研究内容有:1.提出一种具有坐姿-站姿姿态转换结构、足行系统、轮行系统且姿态转换机构和足行系统设于轮行系统之上的足轮混合式助行机器人。以人体工程学为理论支撑,结合Vicon系统采集的人姿态转换和人步行过程的运动参数,完成足轮混合式助行机器人构型的详细分析设计;实现辅助人的坐姿-站姿相互转化、主动步行运动和被动步行运动,且足轮协调运动且速比可调。运用Solid Works对人在该助行机器人上的步行运动进行干涉检查,验证该助行机器人结构尺寸的合理性。2.对被动式助行进行研究:对正常人的步行数据分析,据此为助行机器人预定义参数,实现足行系统模拟人足底或踝关节的步行运动轨迹,带动步行困难的人下肢步行运动;轮行系统能够与足行系统协调运动,带动人体在水平地面上平稳运动。3.对主动式助行进行研究:根据足行系统的结构特点和人步行运动特点,对足行系统和轮行系统的控制方法进行研究,使摆动相侧足行系统跟随摆动相足部运动,支撑相侧足行系统带动支撑相足部后移,同时保证轮行系统与足行系统协调运动。4.通过ADAMS对人被动步行时的足行系统进行运动学仿真分析。通过ADAMS＿Simulink联合仿真对人主动步行时的足行系统进行运动控制仿真,验证足行系统主动式助行运动控制方法的可行性。

关键词：足轮混合式助行机器人人体工程学步态轨迹规划 Hermite插值控制策略

面向偏瘫患者的步态康复训练机器人控制方法研究

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面向偏瘫患者的步态康复训练机器人控制方法研究

作者：赵亮河北工业大学

学位级别：硕士

我国人口老龄化加剧,患有脑血管疾病的老年人越来越多,患者常会产生偏瘫等病症,严重影响自主生活能力。神经康复医学理论与临床试验证明:人的中枢神经系统具有高度的可塑性,在初期进行合理而又科学康复训练的偏瘫患者获得运动能力的概... 详细信息

我国人口老龄化加剧,患有脑血管疾病的老年人越来越多,患者常会产生偏瘫等病症,严重影响自主生活能力。神经康复医学理论与临床试验证明:人的中枢神经系统具有高度的可塑性,在初期进行合理而又科学康复训练的偏瘫患者获得运动能力的概率大大提高。本文针对偏瘫患者步态康复训练的需求,提出了一种基于主从示教思想的患肢步态康复控制策略。该策略是利用人两腿在行走过程中运动参数相似的原理,通过采集健肢的步态参数,在线规划出符合患者自身行走特点的患肢步态参数,极大程度的发挥患者的自主性,实现“自己康复自己”。首先,通过对比现有步态康复训练机器人的结构、工作原理、康复策略等,基于正常人体步行运动特征以及考虑到偏瘫患者的运动特殊性和康复运动机理,设计了一种六自由度踏板式步态康复训练机器人,实现患肢的康复运动。机器人为左右对称结构,每侧均具有一个平移自由度、两个旋转自由度。其次,对踏板式康复训练机器人进行了运动学分析,建立了人体下肢运动学模型,应用D-H法获取了足底踏板的运动轨迹;建立了踏板机构简化模型,通过逆运动学求解获取了各个自由度的运动轨迹。针对运动轨迹计算以及控制需求,提出了结合使用姿态传感器和足底压力传感器的健肢步态信息检测方法。再次,通过三维运动捕捉系统对健康人左右脚步态的相似性进行了研究,提出了基于主从示教思想的患肢步态轨迹规划方法。应用所提出的健肢步态信息检测方法获取患者自身健肢的步态参数,提取关键点进行三次样条插值,规划出步态轨迹,作为患肢运动参考,实现患肢康复运动。最后,搭建了踏板式步态康复训练机器人试验样机,完成了踏板跟随试验和步态康复训练试验,试验结果显示:步态信息检测方法能准确获取健肢步态参数,基于主从示教思想的步态轨迹规划方法能准确规划出患肢运动轨迹,所提出的步态康复控制策略能够较好的实现偏瘫患者的步态康复训练。

关键词：步态康复训练机器人控制策略步态参数检测步态轨迹规划

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四足机器人的振动特性分析与路径规划研究

四足机器人的振动特性分析与路径规划研究

作者：王金义河北工程大学

学位级别：硕士

随着技术进步和相关研究的不断深入,四足机器人已逐渐从实验室走向实用化、普及化,但由于四足机器人在各种环境行走过程中,势必会受到不同程度的冲击,产生一定的振动,从而使其本身出现不稳定性。为此,本文主要针对四足机器人振动特性及... 详细信息

随着技术进步和相关研究的不断深入,四足机器人已逐渐从实验室走向实用化、普及化,但由于四足机器人在各种环境行走过程中,势必会受到不同程度的冲击,产生一定的振动,从而使其本身出现不稳定性。为此,本文主要针对四足机器人振动特性及路径轨迹展开了研究,以达到行走稳定的目的。具体研究内容如下:（1）设计四足机器人整体结构。通过哺乳动物结构对四足机器人整体结构进行选择与设计,并确定其躯体与腿部的配置方式。然后通过对腿部关节结构的选择与设计、腿部关节电机安装和驱动方式的选择等,从而确定四足机器人的腿部结构。（2）对四足机器人的动力学分析。选用拉格朗日法对四足机器人机械腿的驱动力进行动力学求解;通过分析机械腿足端运动与关节之间的关系,求得各关节与足端位置驱动的函数关系,并用D-H法和雅可比矩阵建立其运动学模型。（3）研究了机器人的振动特性。基于机械振动系统中的激振方式及原理,分析了受迫振动对系统的影响,建立了四足机器人的系统振动模型,并对振动模型进行了计算机仿真。通过修改系统阻尼变量来改变频率幅值的大小,从而实现对振动模型的简单优化。（4）分析了四足机器人基于零力矩点的稳定性条件,对机器人进行步态仿真;针对机器人机械腿足端路径轨迹的规划问题,提出了一种样条算法并进行了约束优化,然后对优化前后的算法进行了足端轨迹仿真,证明了优化后算法的优越性。

关键词：四足机器人结构设计步态轨迹规划振动特性计算机仿真