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

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外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真

ｂａｓｉｓ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｌｌｂｅｃａｒｒｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｆｕｒｔｈｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｊｏｉｎｔｔｏｒｑｕｅ，
ｉｔｗａｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｒｉｖｅｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏ０８１，Ｃｈｉｎａ）
ｔｕｒｅａｎｄｈｕｍａｎｍｏｖｅｍｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｏｔｈｅｒａｓｐｅｃｔｓｌｉｋｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｒｉｖｅａｎｄｗｅｉｇｈｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄＳＯｏｎ，
ＧＡ（）Ｙｕｈｅ。ＺＨＡＮＧＨｕ。ＳＯＮＧＱｉｕｚｈｉＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ

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

起到重要作用【５ｊ．随国民经济的发展，这类特
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ＭＡＴＬＡＢ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ＡＤＡＭＳ虚
沈
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大
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（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９０。；
（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＝ＶＣＯＳ；ｖ＝ｖｓｉｎ０．
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１１０１４２；２．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳１１０８７０）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：

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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坐卧式下肢康复机器人机构设计及人机系统动力学模型辨识的开题报告

坐卧式下肢康复机器人机构设计及人机系统动力学模型辨识的开题报告第一部分：选题背景及研究意义坐卧式下肢康复机器人已经广泛应用于临床，可以有效地辅助患者进行下肢康复训练。

机器人的机构设计和控制系统对于机器人的性能和康复效果起着至关重要的作用。

因此，对机器人机构进行优化设计和人机系统动力学模型辨识的研究具有重要的理论和实践意义。

本文旨在通过研究坐卧式下肢康复机器人机构设计和人机系统动力学模型辨识，探讨机器人机构设计和控制系统的优化方法，提高机器人的康复训练效果，促进机器人在临床康复领域的应用。

第二部分：研究内容及方法本文将围绕以下研究内容进行深入探讨：1. 坐卧式下肢康复机器人机构设计：对机器人机构进行优化设计和性能分析，包括机器人关节的结构形式和参数选取、机器人运动学分析和仿真等。

2. 人机系统动力学模型辨识：通过对机器人康复训练系统进行力学建模和数据采集分析，辨识机器人的动力学模型，包括关节刚度、惯性、摩擦等参数。

3. 坐卧式下肢康复机器人控制方法研究：针对机器人的运动特性和关节的受控对象，设计控制算法，实现对机器人的自适应、精准和安全的控制。

本文主要采用以下研究方法：1. 理论分析法：通过对机器人运动学、动力学、控制理论等进行理论分析，设计机器人的控制算法和优化机构结构。

2. 数值仿真法：采用MATLAB/Simulink等软件进行数值仿真分析，模拟机器人康复训练过程中的运动状态和关节反应，并且实现模型辨识和控制算法的有效性验证。

3. 实验研究法：设计实验平台，进行机器人康复训练实验，采集实验数据，分析算法的有效性和机器人康复训练效果。

第三部分：预期目标通过本文的研究，期望实现以下目标：1. 设计优化坐卧式下肢康复机器人的机构结构，提高机器人的运动灵活性和稳定性。

2. 辨识坐卧式下肢康复机器人的关节动力学模型，提高机器人的运动精度和控制效果。

3. 实现坐卧式下肢康复机器人的自适应、精准和安全的控制，提高机器人康复训练的效果和适应性。

下肢外骨骼机器人动力学分析及设计

Internal Combustion Engine &Parts图1单足支撑期七杆结构建模模型0引言外骨骼机器人是一种人机一体化的装置，能够穿戴在人们的身上，帮助人们实现防护、支撑以及运动的功能。

将外骨骼机器人穿戴在士兵身上，能够有效提高其越障能力和承载能力，促使士兵单兵作战力有效提高。

目前，国内外相关专家在对下肢外骨骼机器人建模当中忽略了踝关节的重要作用，因此，本文结合以往的研究数据，优化下肢的动力学建模方法，通过研究人体的下肢步态与自由度，实现动力学分析，并实现结构的设计，进而仿真验证。

1人体下肢动力学建模人类行走的运动是一个相应步态周期，即单足支撑期→双足支撑期→单足支撑期，在总支撑期中，单足支撑期占到步态周期约40%，而双足支撑期占到步态周期约60%。

以往研究当中在对人体的下肢建立模型中，属于五杆机构，但是忽略了踝关节，本文结合踝关节的重要作用，将其优化为七杆结构。

1.1单足支撑期动力学建模针对简化后的七杆结构模型，通过方法对比，适合选择牛顿—欧拉法进行建模。

建模当中坐标系其相应定义与各个杆件实际参数可见图1，其中D-H 相应连杆的扭转角可见表1。

通过对相应杆的质心进行设定，可得到极坐标中相应位置向量，并能求出相应杆的质心与坐标系其原点之间的实际距离。

针对相应公式进行二阶导数的求导，能够获得相应杆质心具体的加速度。

进而得出相应杆的实际角速度与角加速度。

若设定相应杆为i 杆，则其受力分析如图1。

1.2双足支撑期动力学建模结合双足支撑期实际简化得到的连杆模型（如图2），此时的坐标系定义和杆件具体参数可参考单足支撑期相应定义方法。

在双足支撑期相应第一杆到第六杆方程和单足支撑期相应方程是一样的，只需结合相应科学原理与相关数据对第七杆的方程进行确定即可。

通过相应方程就能够得到相应杆实际力矩和与之存在联系的相应力。

之后，按照依次向前的顺序实现各个关节力矩和关节力的科学推导[1]。

下肢外骨骼机器人动力学分析及设计姜璐;王宇克（河南科技大学车辆与交通工程学院，洛阳471003）摘要:目前我国军事在单兵装备方面不断增加与升级，同时士兵自身负担也在不断加重，运动也不再灵活，在身体机能与抵抗力不断降低的基础上，士兵难以以充足的战斗力参与到战争当中。

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第１１期２０１３年１１月
机械设计与制造
Ｍａｃｈｕｒｅ１９７
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
ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓｔｏｅｓｔｂｌａｉｓｈｔｈｅｄｙｎｍｉａｃｏｄｍｅｌｏｆｌｏｗｅｒｌｉｍｂｓｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｓｎｒｅｈｂｉａｌｉｔｔａｉｏｎｒｏｂｏｔ，ｔｏｒｅａｌｉｚｅｉｎｖｅｒｓｅｄｙｎｍｉａｃｓ
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；Ｍａｔｌａｂ／ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；逆动力学
中图分类号：ＴＨ１６；ＴＰ２４２文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ３９９７（２０１３）１１－０１９７ — ０４
ＤｙｎａｍｉｃＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＬｏｗｅｒＬｉｍｂｓＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓＲｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎＲｏｂｏｔ
ｊｏｉｎｔｔｏｒｑｕｅ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｏｉｎｔｈｅｉｎｐｕ￣ｏｔｕｐｔｕｄｔａａｒｅａｔｒａｉｅｄｎｔｏｇｅｔｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｓｎｉｎｖｅｒｓｅｄｙｎｍｉａｃｓｄｙｎａｍｉｃｍａｔｅｍｈａｔｃｉａｌ
ｉｎｖｅｒｓｅｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌ，ｔｈｅａｃｃｕｒｔａｅｔｈｒｅｅ－－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｅｔｉｎｔｙｏｄｍｅｌｉｓｅｓｔｂｌａｉｓｈｅｄｂｙＳｏｌｉｄｗｏｒｋｓ，ａｎｄｊｏｉｎｔｅｄＭａｔｌａｂ／
（河北工业大学机械学院，天津３００１３０）
摘
要：针对下肢外骨骼康复机器人的灵敏度放大控制需要精确逆动力学模型的问题，通过Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件建立精确的
三维实体模型，联合Ｍａｔｌａｂ／ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ建立下肢外骨骼康复机器人的动力学模型，以角度、角速度和角加速度作为输入信号，输出信号为髋、膝关节力矩，进行逆动力学仿真分析。将仿真后的输入输出数据利用ＢＰ神经网络进行训练并获得外骨骼逆动力学动态数学模型。仿真结果表明，该方法可以获得下肢外骨骼康复机器人精确的模型，并为进一步的实
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｅｒｌｉｍｂｓｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｍｐｌｉｆｗｔｉａｏｎｃｏｎｔｒｏｌｎｅｅｄｉｎｇａｃｃｕｒｔｅａ
ｏｄｍｅｌｂｙＢＰｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌｔｉａｏｎｒｅｓｕｌｔｓ５ｈｏｗｔｈｔａｔｈｓｉｍｅｔｈｏｄＣｎａｅｔｇｌｏｗｅｒｌｉｍｂｓｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｒｅｈｂｉａｌｉｔｔｉａｏｎｒｏｂｏｔ
ＣＨＥＮＧｕｉ－ｌｉａｎｇ，ＬＩＣｈａｎｇ＝ｐｅｎｇ，ＺＨＡＯＹｕｅ，ＬＩＵＧｅｎｇ－ｑｉａｎ
（ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈｏｏｌ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈｉｎａ）
ｓｉｍｕｌｔｉａｏｎａｎａｌｙｓｓｉｗｈｏｓｅｉｎｐｕｔｓｉｕａｇ￣ａｒｅｎｇａｌｅ，ａｎｇｕｌａｒｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｎｇａｕｌａｒｃｃａｅｌｅｒｔｉａｏｎ，ｏｕｔｐｕｔｓｉｕａｇ￣ａｒｅａｎｄｋｅｅｎ