外文翻译-苏明顺(汉)
青岛大学
毕业设计(论文)英文翻译
学院：机电工程学院
专业：机械工程及自动化
姓名：苏明顺
2015年 06 月 05日
用于康复的下肢外骨骼机器人的三
维模拟与运动学分析
中国西安交通大学机械工程学院陈江城张晓东朱磊
摘要--运动学递推方程是由对康复下肢外骨骼的结构进行分析之后改进的D-H 方法建立的. (D-H矩阵全称Denavit-Hartenberg Matrix。Denavit 和Hartenberg在1955年提出一种通用的方法，这种方法在机器人的每个连杆上都固定一个坐标系，然后用4×4的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆的空间关系。通过依次变换可最终推导出末端执行器相对于基坐标系的位姿，从而建立机器人的运动学方程。)给出逆运动学的数值算法,然后利用MATLAB(MATLAB 的名称源自Matrix Laboratory ，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB 将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用 MATLAB 产品的开放式结构，可以非常容易地对 MATLAB 的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善 MATLAB 产品以提高产品自身的竞争能力)软件建立外骨骼机器人的三维仿真模型,并在此模型的基础上实现了一个完整步态的三维再现.最后由仿真结果验证逆运动学数值算法的可靠性.以上所有工作为外骨骼机器人三维仿真平台的开发奠定了基础.
关键词：运动学分析；康复；下肢外骨骼机器人；三维仿真
一引言
康复机器人将机器人技术应用到康复工程,体现了康复医学和机器人技术的结合.这是目前机器人领域的研究热点.对步态模拟控制系统的控制,下肢康复机器人可以模拟正常人的行走姿势.帮助有行走残疾的患者做康复训练,帮助他们恢复神经和肌肉功能.相比于传统的人工下肢康复训练方法,机电设备帮助患者完成重复性的行走运动,可以使教练从繁重的工作中解脱出来,显示出强大优势.目前,下肢康复机器人大致可分为两类:下肢外骨骼动力和足底驱动踏板式.
外骨骼的步态模拟能力直接影响患者的康复效果,它依赖于合理的结构设计和步态规划与控制方法.在结构的设计中,外骨骼不仅在形状而且在功能上应拟合人体工程学,从而使外骨骼可以产生与人体下肢相同的姿势.在步态生成方面,还需要有效的步态规划和控制算法.然而,外骨骼系统是一个高层次、强耦合、非线性、多自由度的复杂线性系统,对系统的设计和运动控制带来了困难.建模与仿真为系统的发展提供有效的辅助系统,模拟结果可以验证系统设计的正确性,运
动规划和控制算法的有效性.在本文中,我们进行了外骨骼机器人的运动学分析,实现了在MATLAB环境下运动的三维可视化.他为整个外骨骼系统仿真平台的发展奠定了基础.
二相关作品
仿真是机器人研究的一个重要组成部分,最成功的例子是日本学者,Hirohisa Hirukawa, Fumio Kanehiro等人,通过使用三维仿真平台开发了两种双足机器人HRP-1和HRP-2.应该在建设机械系统的虚拟样机模型前,设立一个严格的数学模型和物理模型.下肢外骨骼是一个复杂的多自由度系统.为了便于对其进行分析,有必要简化机器人的动力学结构.早期的简化模型是策划链路模型,如五联动模式,七联动模式和九联动模式.向前运动和横向运动之间的耦合在这些模型中是被忽视的.另一种比较成功的模式是3D倒立摆.但这种模式不适合步态规划.并且,对于外骨骼机器人的仿真,几个建模和仿真软件的应用使模拟过程存在大量的数据交换.在本文中,使用的是三维联动模式,仿真用的是MTALAB.
三外骨骼结构分析
外骨骼机器人的设计遵循结构和功能仿生的原理,它有两条增压机械腿,两脚通过重力与地面接触.还有宽度可调整的腰环与平衡支撑相连接.机械腿由髋模块,膝盖模块,大腿连接模块和小腿连接模块组成.外骨骼康复机器人的典型代表是瑞士步行康复机器人系统LOKOMAT和荷兰下肢力量骨头LOPES. LOKOMAT外骨骼系统的每条腿包括两个转动关节，包括髋关节和膝关节.关节的运动是由滚珠丝杠与独立的电机来实现的.踝关节是由步进电机控制的.与之相反,LOPES有更多的自由度,在髋关节上有两个自由度:屈/伸，外展/内收.膝盖有一个自由度:屈/伸,盆骨有一个自由度:向上/向下,一共有七个自由度.
然而,通过对人体下肢的机理分析我们可以发现,人类下肢包含12个自由度.分别是臀部的弯曲/伸展，外展/内收,内旋/外旋，膝关节的屈曲/伸展运动，踝关节的屈曲/延伸和拓展/内收.因此,现有的康复外骨骼结构要更好的模拟人类运动的三维步态,就必须增加更多的自由度.
四运动学建模与分析
外骨骼机器人运动学分析是移动位置与姿势分析和步态规划的基础,包括正运动和反运动.正向运动学用来在给定相对位置和关节变量参数的情况下找到位置,速度,加速度与在基准坐标系中每一环节的姿态.正向运动学将用于重心计算和机器人与环境接触状态的检测.更重要的是,正运动学也是实现三维模拟可视化的基础.D-H方法和改进的D-H方法是正运动学计算的常用方法.与此相反,逆运
动学是在已知后腿和脚的姿势的条件下,我们可以用运动学分析的方法计算联合可变参数.逆运动学的计算方法通过解析可被分为几何解和数值解.Pieper标准在使用分析法时应满足几何结构,也就是说,只有三个相邻关节轴相交在一点或三个相邻的关节轴彼此平行时,才可以用几何封闭法求解反向运动.更重要的是,自由度越多求解过程越复杂.通过协议,对于数值解就没有这样的限制了.
A.坐标系的建立
外骨骼机器人包括12个自由度.由于如此多的自由度并且运动中存在耦合,用基础坐标系很难描述它的位置和方向.对于每个自由度都需要局部坐标系.对于下肢康复机器人,我们可以考虑以机身为基础,因为它在运动中保持静止.因此,我们可以通过改进的D-H方法建立坐标系,示于图1.当竿(rod)变化时通过改进的D-H方法建立的局部坐标系不会改变,这就是传统D-H方法与改进D-H方法的区别.这种不同可以消除计算过程中的累积误差.
图一相对坐标系
在图一中,总坐标系∑w在两足之间,Ri(i=1,2L 13)代表每个关节的局部坐标系bi(=1,2L 13)代表的两个坐标系之间的位置矢量.在初始状态局部坐标系的相应轴要与纵坐标系的轴相互平行.通过坐标系的建立,外骨骼系统可以看做以机身为基础的两条机械链.
正向运动学的计算过程可以分为两个步骤:1)计算出相关联坐标之间的转换矩阵;2)用在变换矩阵的链乘进行运动学计算.根据先前建立的坐标系, 在坐标系∑i和∑j之间的其变换矩阵可表示为
(1)
其中,是姿态矩阵,I是一个单位矢量qi是联合旋转角度,是旋转轴矢量,是反对称矩阵,可以表示如下
(2)
坐标系∑i相对于世界坐标系假设的其次变换矩阵是
(3)
随后坐标系∑i相对于世界坐标系的齐次变换矩阵可以通过使用链乘法来得到
(4)
最后,绝对位置和姿势可以由(1)(3)和(4)得到
如果机体的位置和方向是已知的,所有关结角度给出我们可以根据公式(5)和(6)计算出每个链路的位置和姿态.
对于外骨骼机器人,在躯干和脚的位置和方向已知的条件下逆运动学是求解角度的一种方法.由于外骨骼机器人具有12个自由度，所以很难获得解析解.数值求解方法灵活并且没有限制.在本文中,我们使用的数值方法是基于正向运动学的计算.逆运动学的原理是:给一个铰接角的初始值,通过正向运动学计算出脚的姿势,将结果与目标值比较,并根据角度修正改变它的角度值,依次循环,直至误差在一定范围内.如图二
图二使用数值方法反向运动学原则
五三维运动学仿真
A.三维仿真模型
由于外骨骼系统的复杂性,运动学方程具有非线性强耦合的特点,运动学计算结果由曲线形式显示.各种模拟组合的方法可以实现三维可视化,但它需要大量数据交换,不同软件数据误差的累积会影响模拟结果.使用MATLAB软件，以及使用族群数据结构，我们建立了一个12个自由度的外骨骼系统模型，如图三(Body:机体,Hip :臀,Thigh:大腿,Knee :膝盖,Shank:胫骨,Ankle:脚踝,Foot:脚)
图三外骨骼三维模型
B.步态视觉再现
为了验证正向运动学的有效性,由香港理工大学给出的临床步态数据进行的运动学仿真,如图4.同时,十姿势的机器人的步态运动过程,如图5.(所有的轴单位都是厘米)
图四一个步态周期关节角度的变化
图五一个步态周期十姿的势机器人
C.反向运动学算法仿真
根据3.3中反向运动学的数值算法和3.2提出的通过正向运动学算法计算出的一个步态周期脚的轨迹,在MATLAB中模拟得到的各关节的变化轨迹,如图六所示(虚线).相反，所测量的关节轨迹曲线也给出在图中。根据比较，我们可以发现该反向运动的数值方法能够获得令人满意的结果。
图六逆运动学数值结果
六结论
康复外骨骼机器人作为一种新型的医疗设备和典型的人机一体装备是机器人技术研究的热点领域.本文由正向运动学计算方程和反向运动学数值方法讨论康复外骨骼机器人的结构.本文提出的机器人模型可以被用于康复外骨骼机器人的发展，如果动态进展被添加到模型可以实现三维运动的可视化，我们也可以开发一个完整的三维模拟平台。
因此,为了使模拟包涵运动学和动态过程,我们在将来的工作中会分析动态,并将其加入到模型中.我们最终的目标是,仿真模型不仅可以由运动学参数而且可以由动力学参数驱动.最终,该模型可用于行走规划和控制算法的验证.