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
外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真

b a s i s , k i n e ma t i c s s i mu l a t i o n o f t h e me c h a n i c a l s t r u c t u r e wi l l b e c a r r i e d t h r o u g h f u r t h e r , t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f j o i n t t o r q u e ,
i t wa s pr ov e d t h a t t he r at i o na l i t y of t he s t r uc t u r e d e s i gn a nd dr i v e de s i gn . Ke y wo r d s:e x os ke l e t o n, me c ha ni c a l f r a me wor k, dy na mi c s i m ul a t i o n
( S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g, Be i j i n g I n s t i t u t e o f Te c h n o l o0 8 1 , Ch i n a )
t u r e an d hu ma n mo v e me nt me c ha ni s m . Co ns i d e r i ng o t h e r a s pe c t s l i ke e l e c t r i c c o nt r ol , d r i ve a nd we i ght r e d uc t i on a n d S O o n,
GA( )Yu h e 。 ZHANG Hu 。 S ONG Qi u z h i S t r u c t u r e De s i g n a nd Dy n a mi c S i mu l a t i o n o f t h e Lo we r Ex t r e mi t y Ex o s ke l e t o n
下肢外骨骼康复机器人动力学仿真与

2022年第46卷第12期Journal of Mechanical Transmission下肢外骨骼康复机器人动力学仿真与分析马晓君1刘玉阳1贾秋生2刘德胜3刘训报1袁铭润3(1佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯154007)(2哈尔滨轴承集团公司,黑龙江哈尔滨150002)(3佳木斯大学信息电子技术学院,黑龙江佳木斯154007)摘要下肢外骨骼康复机器人可以有效提高下肢运动功能受损患者的康复效率,减轻康复医师的工作量。
设计了一款气动肌肉驱动的下肢外骨骼康复机器人。
为探究外骨骼机器人运动状态和各关节运动机理之间的关系,采用拉格朗日方程对下肢外骨骼进行动力学建模,将建立好的虚拟样机模型导入Adams中进行动力学仿真,得到下肢外骨骼康复机器人在不同运动状态下各关节在运动过程中转矩的变化情况,对仿真数据进行分析,验证了数据的正确性,为下一步实物样机制作及驱动器的选择提供了理论依据。
关键词外骨骼机器人拉格朗日方程动力学仿真虚拟样机Simulation and Analysis of Dynamics of Lower Limb Exoskeleton Rehabilitation Robots Ma Xiaojun1Liu Yuyang1Jia Qiusheng2Liu Desheng3Liu Xunbao1Yuan Mingrun3(1School of Mechanical Engineering,Jiamusi University,Jiamusi154007,China)(2Harbin Bearing Group Corporation,Harbin150002,China)(3School of Information and Electronic Technology,Jiamusi University,Jiamusi154007,China)Abstract A lower limb exoskeleton rehabilitation robot can effectively improve the rehabilitation efficien⁃cy of patients with impaired lower limb motor function and reduce the workload of rehabilitation physicians. Therefore,a lower limb exoskeleton rehabilitation robot is designed,the relationship between the motion state of the exoskeleton robot and the motion mechanism of each joint is explored,the Lagrange equation to model the dynamics of the lower limb exoskeleton is used and the established virtual prototype model into Adams for dy⁃namic simulation is imported.Further,the torque changes of each joint of the lower limb exoskeleton rehabilita⁃tion robot in different motion states are obtained.The data are analyzed to verify the correctness of the data, which provides a theoretical basis for the next step of the physical prototype fabrication and the selection of the actuator.Key words Exoskeleton robot Lagrangian equation Dynamics simulation Virtual prototype0引言现如今,由于脑卒中、车祸或其他原因引起身体运动功能受损的人口数量在不断增加,从事有关康复训练的专业人员严重不足,因此,开发一种能够代替康复医师工作的机器人成为当下一个研究热点[1]。
基于外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人结构设计与仿真

二、文献综述
传感器设计是下肢康复机器人的关键部分,它可以实时监测患者的运动状态 和机器人与患者之间的交互力。例如,一些传感器设计采用了力传感器,以监测 机器人与患者之间的相互作用力;还有一些传感器设计采用了运动传感器,以监 测患者的运动状态。
二、文献综述
然而,现有的下肢康复机器人在机构设计、控制系统和传感器设计等方面仍 存在一些问题和挑战。例如,一些机构的机械结构复杂,使得机器人的重量和体 积较大;一些控制系统的智能化程度较低,无法实现个性化的康复治疗;一些传 感器的准确性和稳定性有待提高。因此,本次演示将对外骨骼的可穿戴式下肢康 复机器人的结构设计进行探讨,并利用仿真技术对其进行优化和完善。
基于外骨骼的可穿戴式下肢康 复机器人结构设计与仿真
01 一、引言
目录
02 二、文献综述
03 三、研究设计
04 四、实证研究
05 五、案例分析
06 六、结论
一、引言
一、引言
随着现代医疗技术的不断发展,康复机器人作为一种新型的康复治疗手段, 逐渐在康复医学领域得到广泛应用。其中,基于外骨骼的可穿戴式下肢康复机器 人因其能帮助下肢运动功能障碍患者进行科学有效的康复治疗而受到特别。本次 演示将对外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人的结构设计进行探讨,并利用仿真技 术对其进行优化和完善。
五、案例分析
五、案例分析
以一个实际案例为例,我们介绍如何利用外骨骼的可穿戴式下肢康复机器人 进行治疗,并对其效果进行评估和分析。该案例中,患者是一位因为脑卒中导致 下肢运动功能障碍的老年人。在使用外骨骼式下肢康复机器人进行为期三个月的 康复治疗后,患者的下肢运动功能得到了显著改善。通过机器人的辅助训练,患 者的步行速度和耐力都有了明显的提高。同时,患者在治疗过程中并未出现不适 或者皮肤损伤的情况,表明该机器人的安全性较高。
全方位移动下肢康复机器人的虚拟样机建模和仿真

测试最 佳设 计方 案 的等效数 字化 软模 型 , 一 定程 度上 反 映产 品 的外 观 、 结构 、 运 动 学 和动 力 学特 性. 其优 点 是 具 有 建 模 简 单 、 快 速, 模 型 可 视 化 强、 参数可调 、 且 能 和 MA T L A B 等 控 制 系 统 软 件联 合仿 真等 . 本文 首先 针对 全 方 位 移 动 型下 肢 康 复 机 器 人机 构进 行运 动学 和动力 学分 析 , 建 立机 器人 运 动学 和动 力学 数学模 型 , 然后再 采用 A DA MS虚
沈
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报
( 4 )假 设 车体 几 何 中心到 各 轮 之 间 的长 度 为l , 4轮 的半径 相等 , 正交 角为 9 0 。 ;
( 5 )假设 机器人 在一个 平坦 的地 面运动 , 忽 略 地面 的不规则 情况 ;
其中: v =V C O S ; v =v s i n 0 .
全 方 位 移 动 下肢 康 复机 器 人 的虚 拟样 机 建模 和 仿真
姜 莹 , 白保 东
( 1 . 沈 阳化工大学 信息工程学 院 , 辽宁 沈 阳 1 1 0 1 4 2 ; 2 . 沈阳工业 大学 电气工程学院 , 辽宁 沈 阳 1 1 0 8 7 0 ) 摘 要: 通过 对全方位移动康复机器人的运动 学和 动力 学分析 , 建 立机 器人 的动 力学控 制模 型,
制成 本 更 高. 基 于此 , 本 文 研 究 全 方位 下 肢 康 复
全方位移动康复机器人运动学方程的推导 基 于如下 几点假 设 :
下肢外骨骼机器人的控制仿真研究

下肢外骨骼机器人的控制仿真研究王立柱;陈炜;马利;张西正【摘要】下肢外骨骼机器人是一种复杂的非线性系统,有效控制策略对于人机系统运动的协调一致性至关重要.本文基于外骨骼机器人的动力学分析,提出了下肢外骨骼机器人的控制系统设计,采用模糊PID控制算法,结合ADAMS和MATLAB/Simulink软件,分别以角度误差和关节力矩作为系统输入输出量,对下肢外骨骼机器人的动力学与控制进行联合仿真.仿真结果验证了所提控制算法的有效性,为保证人体与机器人之间的运动协调性和一致性的良好控制提供了理论依据.%The lower limb exoskeletons robot is a complex nonlinear system,the effective control strategy is important to the consistency of human-machine system moving.Based on the dynamics analysis above,the control design of this robot system is proposed with the fuzzy PID algorithm,and a co-simulation of dynamics and control for this rehabilitation robot is completed by using of a combination of ADAMS andMATLAB/Simulink,with the error of angel and the torque of joint used as input and output variable.The results demonstrate the effectiveness of the control strategy,which provides theoretical basis for ensuring the good control of consistency and coordination between human body and lower limb exoskeleton robot.【期刊名称】《天津理工大学学报》【年(卷),期】2017(033)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】下肢外骨骼机器人;模糊PID控制;联合仿真【作者】王立柱;陈炜;马利;张西正【作者单位】天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161【正文语种】中文【中图分类】TP242.3ADAMS是最为常用的动力学仿真软件,可以建立简单的三维模型进行动力学及运动学的仿真[5].考虑到下肢外骨骼机器人的复杂性,利用ADAMS直接建模过于繁琐,因此利用三维建模软件SolidWorks以表1的人体特征参数为依据建立其三维实体模型,并通过MSC.Dynamic Designer for SolidWorks数据接口将该模型导入动力学仿真软件ADAMS中,如图1所示.在ADAMS中,机器人虚拟样机的每条腿分别有三个关节,当机器人直行时侧向的摆动十分微小可以忽略不计,因此在六个关节处均建立转动副,在机器人与地面间建立接触,并设置接触的硬度、渗透度及粗糙度等参数使外骨骼双脚与地面之间的接触力大小合适.人体正常行走步态周期可以划分为4个阶段:1)右单腿支撑;2)右双腿支撑;3)左单腿支撑;4)左双腿支撑.根据人体的对称性和行走的周期性,可将步态周期进一步归结为两种行走模式:单腿支撑模式、双腿支撑模式.其中单腿支撑模式占60%,双腿支撑模式占40%.本文以单腿支撑模式为例,建立其动力学方程[6].单腿支撑模式即一条腿与地面接触支撑,另一条腿处于悬空摆动状态.七连杆单腿支撑模型如图2所示,包括左右小腿、左右大腿、上身躯干.选取地面上任意一点为坐标原点建立坐标系,假设左脚脚尖的坐标为,为各段的质量,所处的位置为各段的质心位置;为各段的长度;为各段质心到关节的距离;为各段与垂直轴的夹角,顺时针方向为正.在图2所示坐标系下,系统整体的总动能为式(1)中为各段的转动惯量.系统的总势能为由(1)、(2)式可得,下肢系统七杆模型单腿支撑模式的拉格朗日函数为将式(3)代入拉格朗日动力学方程(4)中,求得下肢康复机器人各关节所需的驱动力矩τ如(5)式所示.机器人在运动过程中,控制系统的建立一般以连杆之间关节角度θi作为反馈量,并通过对电机力矩的控制来实现机器人轨迹的跟踪控制,而在建立的笛卡尔坐标系下相邻连杆之间的转角θi与qi存在式(6)关系将式(6)带入式(5)后,得各关节的驱动力矩为M(θ)为广义质量矩阵,C(θ,θ)为向心力及哥氏力矩阵,G(θ)为重力矩阵. 下肢外骨骼机器人辅助穿戴者行走过程中,受到路面不平、机构配合等外界条件的干扰,各个关节的实际运动角度与人体的关节运动规律之间难免会存在误差.为实现对下肢外骨骼机器人各关节旋转角度精确控制,并使系统能够快速有效地响应,本文采用模糊-PID控制算法,建立机器人的控制系统,通过改变各关节施加力矩的大小来实现机器人关节角度的变化,从而使得下肢机器人各关节的旋转角度得到精确控制.PID控制主要根据系统的误差,利用比例环节、积分环节和微分环节等计算出系统控制量而进行控制,具有简单易操作、运行较稳定以及较为优秀的鲁棒性等特点[7].针对下肢外骨骼机器人模型,在其动力学分析的基础上,建立系统的控制律为式(8)中,e为关节角度误差,e为关节角度误差变化率,M(θ)为惯性矩阵,C(θ,θ)表示离心力和哥氏加速度项,G(θ)为重力项,Kp为比例增益,Ki为积分增益,Kd为微分增益.根据式(8)确立的系统控制律,进行对PID控制器初始参数的整定,整定方法多种多样,有动态特性参数法、稳定边界法、衰减曲线法等[8].本文PID控制系统初始参数的设定由试凑法确定,对参数的调整实行先比例、后积分,再微分的整定步骤,当系统超调量过大时,减小Kp的值、增大Ki值,尽量减小超调量,当系统响应静态误差较大时,减小Ki值并适当减小比例增益Kp值,经过反复不断调节三个参数变化,最终得到相对稳定的控制参数.下肢外骨骼机器人系统为复杂的强耦合、非线性系统,由于传统的PID控制的参数不能随系统的变化而调整,控制效果不是很理想,从而加入模糊控制不断优化PID控制器的三个参数,实现更加稳定的控制,如图4所示.模糊-PID是在PID算法的基础上通过比较理论输出值与实际输出值的大小,得出当前系统误差e和误差变化率ec,利用模糊规则进行模糊推理,得出PID 参数的变化量△Kp,△Ki,△Kd,所以模糊子系统的输入量为下肢外骨骼机器人的实际关节角度与理论人体关节角度的误差e及其变化率ec,输出量为PID 参数的变化量△Kp,△Ki,△Kd.本研究中,输入量和输出量的模糊子集均设置为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},模糊子集中的元素分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大,其中输入量e和ec的模糊论域为{-6,6}.输出量△Kp的论域为{-0.3,0.3},的论域为{-0.06,0.06},△Kd的论域为{-3,3}.方便起见,输入量和输出量的模糊子集均采用中间高两边低的三角形隶属函数.误差e及ec其变化率的大小可分为以下三种情况[9]:1)当偏差e较大时,通过尽快消除误差从而减少系统调节时间,同时避免e值的突变引起微分过饱和是控制的主要目的.由经验可知,应取较大Kp值以及较小Kd 值;此外,为避免系统响应产生较大超调,防止积分饱和,应令Ki=0,即去掉积分作用.2)当e和ec符号相同时,e的绝对值将会增大.此时,根据e值大小不同,存在三种情况:一是e和ec值处于中等大小,系统状态处于跟随阶段,取适中大小Ki、Kd值以及较小Kp值,从而达到外骨骼助力腿系统响应的超调量变小;e二是值处于较大状态,取较大Kp值,中等Kd值以及较小Ki值,外骨骼助力腿系统通过调控达到较好的稳态动态特性;三是e值较小,为避免产生振荡,保障外骨骼机构系统的稳态性能,选取尺度适当但又能控制误差变化趋势的中性控制,可取中等Kp值,较小Kd值以及较大Ki值.3)当e和ec符号相反时,偏差e的绝对值将会减小.以保障外骨骼系统有良好的稳态性能,选取较大Kp和Ki值以及适当的Kd值,防止系统在稳定值附近出现振荡现象的同时还能拥有较好鲁棒性.根据以上三种情况采用“if…and…then…and…”的形式制定模糊控制器相应的模糊规则共49条,如图4所示.将虚拟样机模型与控制集成相结合,进行基于ADAMS和MATLAB的联合仿真[9].由仿真分析软件ADAMS提供下肢外骨骼辅助机器人的简化三维模型、运动学模型和动力学模型,控制软件MATLAB提供控制目标角度变化、控制算法.通过二者之间的数据接口进行交互协调,MATLAB将模型的力矩控制指令送给ADAMS,后者将外骨骼辅助机器人关节角度反馈给前者,形成完整的闭环控制系统,如图5所示.图6为系统的Simulink仿真图,其中fuzzy为已封装的模糊子系统如图7所示,当角度误差及误差变化率不断变化时,经过模糊优化算法,得到PID控制器的三个参数.在经过根据控制率式(8)编写的s-函数,得出各关节驱动力矩值,施加到虚拟样机模型各关节处.MATLAB和ADAMS联合仿真结束后,以髋关节、膝关节为例,下肢外骨骼机器人模型实际运动角度与理论角度规律间的误差如图8~图11所示,由于整体转动惯量的变化和足部和地面接触和摩擦所造成的影响,使得关节实际角度与理论值之间的误差始终存在波动,传统PID控制最大幅值可达6度左右,而本文所设计的控制方法的误差曲线虽然也存在波动,但其波动幅值在3度以内,起到了良好的控制效果.本文将下肢外骨骼辅助机器人简化为七杆模型,与简单的五杆模型相比,更符合人体的正常行走模式.针对下肢外骨骼复杂的系统模型,采用模糊-PID控制方法建立了外骨骼机器人的控制系统,通过ADAMS与MATLAB之间的接口模块,实现了机器人基于ADAMS与MATLAB的联合仿真,仿真结果显示,模糊-PID控制算法在下肢外骨骼机器人辅助穿戴者行走时是十分有效的.与传统的PID控制相比较,关节角度变化更加准确,误差相对更小,保证了机器人与人之间的协调一致性.【相关文献】[1]Zoss A B,Kazerooni H,Chu A.Biomechanical design of the berkeley lower extremity exoskeleton(BLEEX)[J].International Journal of Robotics Research,2006,11(2):128-138.[2]Kong K,Jeon D.Fuzzy control of a new tendon-driven exoskeletal power assistive device[C]//IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.Proceedings.San Francisco:American society for mechanical engineering press,2005.[3]陈贵亮,周晓晨,刘更谦.下肢外骨骼康复机器人的灵敏度放大控制研究[J].河北工业大学学报,2015,44(2):53-56.[4]王峰明.下肢外骨骼助力机器人的设计与控制研究[D].长春:吉林大学,2015.[5]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008. [6]韩亚丽,王兴松.下肢助力外骨骼的动力学分析及仿真[J].系统仿真学报,2013,25(1):61-67.[7]陈贵亮,郭建立,刘更谦.下肢康复机器人膝关节动力学分析与控制[J].河北工业大学学报,2013,42(5): 71-75.[8]李星星.可穿戴式下肢康复机器人控制系统的设计[D].成都:电子科技大学,2010. [9]余正飞.模糊自适应在下肢外骨骼助力腿中的仿真研究[D].厦门:厦门大学,2014.。
人体下肢外骨骼康复机器人的仿真分析

人体下肢外骨骼康复机器人的仿真分析夏田;桓茜;陈宇;徐建林【期刊名称】《陕西科技大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2016(034)006【摘要】The kind of device of human lower limb exoskeleton rehabilitation robot is a kind of service robot ,w hich is designed to be used for assisting the life of old people and sufferer , based on the motor drive .By establishing the D‐H mathematical model of human walking posture ,the coordinate equations of hip joint ,knee joint and ankle joint are derived .Under the ADAMS environment ,the simulation results show that the joint s of the lower limb exo‐skeleton have a continuous trajectory in space , w hich can meet the motility of the joint movement ,and meet the motion characteristics of the human lower limb .A prototype test platform is set up to test the angle curve which changes with the cycle .The motion trajectory of the lower limb exoskeleton is verified ,and the experimental curves and the simulation curves are basically consistent .%采用电机驱动方式,设计出一种用于辅助老年人和患者生活的服务型机器人———人体下肢外骨骼康复机器人,通过建立人体行走姿态时的D‐H数学模型,推导出了髋关节、膝关节和踝关节行走姿态中的坐标方程。
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
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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

机 械 设 计 与 制 造
Ma c h u r e 1 97
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
陈贵亮, 李长鹏 , 赵 月, 刘更谦
S i m Me c h a n i c s t o e s t bl a i s h t h e d y n mi a c od m el o fl o w e r l i mb s e x o s k e l e t o s n r e h bi a l i t t a i o n r o b o t , t o r e a l i z e i n v e r s e d y n mi a c s
现 外 骨骼 的灵敏 度 放 大控 制提 供 保证 。
关键词 : 下肢外骨骼康复机器 人; BP神经网络 ; Ma t l a b / S i mMe c h a n i c s ; S o l i d w o r k s ; 逆动力学
中图分类号 : T H1 6 ; T P 2 4 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 1 — 3 9 9 7 ( 2 0 1 3 ) 1 1 - 0 1 9 7 — 0 4
Dy n a mi c Mo d e l i n g a n d Ne u r a l Ne t wo r k I d e n t i f i c a t i o n Si mu l a t i o n f o r L o we r L i mb s E x o s k e l e t o n s Re h a b i l i t a t i o n Ro b o t
j o i n t t o r q u e . A f t e r t h e s i mu l a t o i n t h e i n p u  ̄ o t u p t u d t a a re a t r a i ed n t o g e t e x o s k e l e t o s n i n v e r s e d y n mi a c s d y n a mi c m a t em h a t c i a l