下肢携行外骨骼系统模糊自适应位置控制研究
床式下肢康复训练机器人模糊自适应阻抗控制
床式下肢康复训练机器人模糊自适应阻抗控制
LIU Bo;LI Yi;CAI Xiaowei;FAN Zefeng
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2018(047)006
【摘要】为解决肢体运动障碍患者的康复训练问题,设计了一款床式下肢康复训练机器人,搭建了床式下肢康复训练机器人控制系统.为提高下肢康复训练后期患者主动参与度,提出了模糊自适应阻抗控制方法用于主动训练控制.机器人通过检测与患者之间的人机交互作用力,判断患者主动运动意图,并且基于阻抗控制建立力与位置的动态关系.通过接触力测评实验选择不同体位的下肢康复训练方式.通过实验验证了模糊自适应阻抗控制的可行性,可以有效提高使用者的主动参与度.
【总页数】5页(P154-157,166)
【作者】LIU Bo;LI Yi;CAI Xiaowei;FAN Zefeng
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TP242.3
【相关文献】
1.基于模糊自适应阻抗控制的机器人接触力跟踪 [J], 刘智光;于菲;张靓;李铁军;安占法
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3.基于神经网络视觉伺服的机器人模糊自适应阻抗控制 [J], 李二超;李战明;李炜
4.基于视觉的机器人模糊自适应阻抗控制 [J], 李二超;李战明;李炜
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下肢外骨骼康复机器人结构设计及控制方法研究
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 (I)ABSTRACT ..................................................................................................................... I I 第1章绪论 . (1)1.1课题背景及研究的意义 (1)1.2下肢外骨骼康复机器人国内外研究现状 (2)1.2.1 下肢外骨骼康复机器人国外研究现状 (2)1.2.2 下肢外骨骼康复机器人国内研究现状 (5)1.3研究现状总结分析 (6)1.4主要研究内容 (9)第2章下肢外骨骼康复机器人结构设计与系统分析 (10)2.1引言 (10)2.2下肢外骨骼康复机器人结构设计 (10)2.2.1 下肢运动机理分析与关节自由度分配 (10)2.2.2 总体方案设计 (11)2.2.3 下肢外骨骼矫形器构型设计 (12)2.2.4 减重平衡机构设计 (14)2.2.5 人机交互接口结构设计 (16)2.2.6 关键零部件强度校核 (17)2.3下肢外骨骼康复机器人运动学与动力学分析 (18)2.3.1 下肢外骨骼康复机器人运动学建模 (18)2.3.2 下肢外骨骼康复机器人动力学建模 (21)2.3.3 下肢外骨骼康复机器人仿真分析 (25)2.4本章小结 (26)第3章下肢外骨骼康复机器人控制方法研究 (28)3.1引言 (28)3.2下肢外骨骼康复机器人参考轨迹采集与分析 (28)3.3基于自适应迭代学习的患者被动训练 (32)3.3.1 自适应迭代学习控制算法 (32)3.3.2 收敛性分析 (35)3.4基于模糊自适应阻抗控制的患者主动辅助训练 (37)哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章下肢外骨骼康复机器人实验研究 (43)4.1前言 (43)4.2实验平台的搭建 (43)4.3下肢外骨骼康复机器人控制系统 (44)4.3.1 控制系统总体框架 (44)4.3.2 控制系统硬件集成 (45)4.3.3 控制系统硬件调试 (47)4.3.4 控制系统软件设计 (50)4.4下肢外骨骼康复机器人系列实验 (51)4.4.1 下肢外骨骼康复机器人功能性实验 (51)4.4.2 患者被动实验 (52)4.4.3 患者主动辅助实验 (54)4.5本章小结 (60)结论 (62)参考文献 (64)攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (68)哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (69)致谢 (70)哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1 课题背景及研究的意义在中国以及全球范围内，人口老年化已成为社会发展的必然趋势。
下肢外骨骼液压控制系统仿真与性能试验_郭庆
表示为：
图1 下肢外骨骼携行助力系统
K PID （ s） = （ k p + k i / s） ×
1 + a1 s 1 + b1 s
（ 1）
下肢外骨骼的液压驱动系统采用直流电动机带动齿轮 将小型油箱的液压油从高压腔吸入到低压腔， 并通过伺 泵， 服阀控制进入液压缸流量 。 整个液压动力系统工作流程如 图 2 所示。
［6 ］
流输入到伺服阀后给出当前伺服阀位移控制量 x v ， 输入到液 压缸系统等效模型中计算输出当前活塞杆实际位置 Y。 通过 对活塞杆位置控制， 使骨骼服实际旋转角度与人腿步态运动 时膝关节期望变化角度保持一致， 达到人机协调目的。
。
本文以自主研制的十一五第一代下肢外骨骼原理样机 为研究对象， 在完成其基本行走等行军动作模式下， 对其液 压控制系统助力效果进行性能试验， 分析人机携行系统的承 载能力和控制系统响应能力， 为整个系统样机进一步优化奠 定基础。
结构尺寸计算出液压缸活塞杆期望位置 Y exp 。 液压缸实际输 出位置 Y 经过角度计算模型后得到当前实际膝关节角度并 通过角度传感器测量得到， 再通过位置计算后得到当前液压 缸活塞杆实际位置 Y act ， 两者偏差设计位置控制器 K。 控制器 给出电压控制量 U ctrl ， 通过伺服放大器 Ka 后转换为电流 I， 电
— 232 —
图5
液压缸期望与实际位置响应曲线 油源 8 MPa， 空载行走流量变化
4
液压控制系统性能试验
为了进行液压控制系统性能分析验证， 对携行者穿戴外
图6
不同负重条件下进行平地行走 、 骨骼系统在不同油源压力， 上下楼梯试验， 采集出相应传感器输出数据 。 采集到的数据 包括： 左右脚前掌和后跟压力 、 左右膝关节处旋转编码器角 度以及液压缸左右缸的缸内压强 。 4． 1 液压缸流量分析 根据控制算法设计方案， 需要将期望角度和当前实际角 度转换为液压缸期望位置和当前实际位置 。 膝关节角度是小 由旋转编码器测量， 当左膝关节处旋 腿相对大腿运动角度， 转编码器测量输出值分别为 θ k 时， 当前左膝关节角度的绝对 值为：
基于神经网络PID的下肢外骨骼轨迹跟踪控制系统
基于神经网络PID的下肢外骨骼轨迹跟踪控制系统作者：王璐陈柏滔张咏渤来源：《理论与创新》2020年第18期【摘 ;要】我国残疾人口众多，并且有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，而这类患者多数伴有偏瘫症状。
同时因交通事故而造成神经损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。
下肢外骨骼作为一种穿戴式智能化设备，可以精确记录训练过程中患者的训练数据，有效提高治疗的效率与效果。
本文在精心设计下肢外骨骼机械结构的基础上，使用神经网络PID控制算法，建立了基于神经网络PID的下肢外骨骼轨迹跟踪控制系统。
同时设计了模糊控制算法作为对比，实验结果表明，与模糊控制等其他算法相比，使用神经网络PID控制的下肢外骨骼对于给定轨迹具有优秀的跟踪和抗扰能力，具有良好的性能和鲁棒性。
【关键词】下肢外骨骼;神经网络PID;模糊控制;轨迹跟踪引言我国不仅残疾人口众多（约8500万），而且老龄化时代正在来临。
在老龄人群中，有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，而这类患者多数伴有偏瘫症状。
近年来中老年患者因此而出现偏瘫的人数不断增多，并且在年龄上呈现年轻化趋势。
同时，由于交通运输工具增多，因交通事故而造成神经损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。
膝关节作为下肢活动的重要关节，是人体最大，结构最为复杂的一个关节，极易受损，从而给患者的下肢活动带来非常大的困难。
我国这类人口众多，存在着巨大的康复需求，而国内在康复领域的医护缺口巨大，智能化康复设备对于提升康复效果和缓解医护压力有着重要意义和价值。
下肢外骨骼作为一种穿戴式智能化设备，不仅可以减轻康复医师的负担，还可以精确记录训练过程中患者的训练数据，有效提高治疗的效率与效果。
PID控制是目前使用最多、应用场合最广泛的控制方法，对于可以获得精确模型的被控对象来说往往可以获得较为理想的控制效果。
而下肢外骨骼属于强耦合、非线性的时变系统，难以建立精确的数学模型，通过系统辨识等方法获得的近似模型也无法良好的代替真实系统。
基于模糊逻辑的下肢髋关节外骨骼步态划分方法
基于模糊逻辑的下肢髋关节外骨骼步态划分方法
谭明航;吴钦木
【期刊名称】《智能计算机与应用》
【年(卷),期】2022(12)12
【摘要】针对下肢运动功能障碍患者恢复行走能力的康复需求,设计了一种基于模糊逻辑的下肢外骨骼步态划分方法。
首先,将采集到的髋关节角度原始数据进行了一阶低通滤波处理。
其次,通过分析髋关节角度曲线和行走各阶段足底压力的特点,构建了角度局部峰谷与足底压力相结合的模糊逻辑步态划分器,精准划分每个步态周期。
通过行走助力实验,验证了所提出的基于模糊逻辑的下肢外骨骼步态划分方法在仅有角度传感器和足底压力传感器的情况下可确保行走过程中每个步态相位划分的准确性以及人机协调性。
【总页数】5页(P235-239)
【作者】谭明航;吴钦木
【作者单位】贵州大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN909.5
【相关文献】
1.基于重心稳定约束的下肢外骨骼助行机器人静稳定步态规划方法
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柔索驱动的平地行走下肢康复外骨骼机器人设计及研究
摘要随着下肢运动功能障碍患者数量日益增多和临床康复治疗愈发迫切，近年来下肢康复机器人的研究与发展受到国内外学者的广泛关注，如何使下肢康复机器人具备自适应、人机协作和柔性控制等效果是当前亟待解决的难题。
在此背景下，本文设计了一种基于套管式柔索驱动的平地行走下肢康复外骨骼机器人，并对其进行了理论分析和仿真研究，主要工作如下：（1）利用Xsens MVN惯性运动捕捉系统采集了正常人体行走步态信号，在对人体解剖学结构研究的基础上，建立了人体下肢的正运动学和逆动力学模型；考虑到地面力对下肢关节力矩的影响，推导并基于非保守Lagrange方程解算了行走下肢关节力矩；通过Simmechanics进行了逆动力学仿真，仿真结果验证了关节力矩解算的准确性，为理论分析和仿真研究提供了数据来源。
（2）依据下肢运动机理，提出了套管式柔索驱动下肢康复外骨骼机器人的总体方案；根据关节运动范围与成年人身高尺寸比例，完成了可调节型外骨骼与移动型台架的结构设计、柔索驱动关节的模块化构型设计以及驱动机构设计，确定了套管式柔索的连接方式，为分析研究奠定了模型基础；借助ANSYS Workbench 对关键零部件进行了静力学分析，校核结果表明结构设计能够满足强度要求。
（3）分析了柔索驱动关节的理论模型，通过位置逆解分析得到了柔索长度与关节角之间的变化规律；在力学分析的基础上，研究了柔索拉力分配问题，并利用P-范数近似与正交补方法实现了柔索拉力的优化求解；采用微元法分析了定曲率与变曲率套管摩擦力对柔索驱动的影响；设计了一种结构简单紧凑的柱型变刚度模块，并通过刚度分析验证了设计预期，为仿真研究提供了理论支撑。
（4）在ADAMS中搭建了下肢康复外骨骼机器人的虚拟样机，并分别基于柔索长度变化量与拉力进行了驱动仿真实验，通过比较关节角变化情况表明了模型设计的合理性与理论分析的正确性；根据患者被动行走康复训练特点，设计了自适应迭代学习控制系统，利用Simulink实现了联合仿真控制实验，结果验证了该控制方法对关节期望运动轨迹的跟踪性能与下肢康复外骨骼机器人的可控性。
下肢助力外骨骼机构设计与研究 (硕士论文)
下肢助力外骨骼机构设计与研究
RESEARCH AND MECHANISM DESIGN OF LOWER LIMB POWER EXOSKELETONS
（全日制工程型）
蒋靖
哈尔滨工业大学 2012 年 7 月
国内图书分类号：TP242.6 国际图书分类号：621
学校代码：10213 密级： 公开
摘
要
外骨骼研究已成为国内外机器人技术领域研究的热点。外骨骼机器人能 够 有 效结 合 人 类 的 智 慧 和 机器 人 的 强 壮 ， 让 复 杂环 境 下 的 负 重 难 题 不复存 在。随着单兵作战装备重量的提高，一款适用于士兵穿戴，能有效提高士兵 负重能力，且适用于各种复杂环境的外骨骼机器人具有极大的应用前景。本 论文围绕下肢助力外骨骼的机械驱动系统设计、运动学和动力学分析、传感 系统设计及仿真和实验等关键问题进行了深入的研究。 在对人体下肢运动机理进行仔细分析的基础上，本论文对下肢助力外骨 骼的机械驱动系统进行了设计和研究。根据仿生设计的方法，对外骨骼的髋 关节、膝关节和踝关节等结构进行了设计，并对髋关节、大腿连杆、小腿连 杆等关键零部件进行了有限元力学分析；最后结合关节肌肉运动机理，对外 骨骼液压驱动系统方案进行了设计。 针对外骨骼机械结构，本论文对下肢助力外骨骼进行了运动学及动力学 分析。对外骨骼机械腿进行 D-H 建模，求解运动学正解，采用微分变换法 求雅克比矩阵。然后采用拉格朗日功能平衡法，对外骨骼进行动力学求解。 根据外骨骼整体结构和控制策略，本论文对下肢助力外骨骼的传感系统 进行了设计。通过分析人体足底压力分布信息，对压力传感器进行了选取和 布位，并设计传感鞋，保证采集压力的可靠性和传感器的安全性。选取了合 适的关节转动角度传感器，实现对外骨骼进行准确的控制。 最后，本论文对下肢助力外骨骼进行了仿真分析及实验研究。仿真分析 主要包括关节仿真和行走仿真；实验研究则包括穿戴舒适性试验、关节 信息 采集实验、步态信息采集实验和外骨骼关节驱动实验等。仿真与实验结果表 明，下肢助力外骨骼机械结构设计合理可靠、穿戴舒适，能够满足外骨骼负 重和灵活性要求。 关键词：下肢助力；外骨骼机器人；结构设计；运动学与动力学
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文章编号 ：０ ６ ９ ４ （０ ２ ０ — ２ １ ０ １０ — ３ ８ ２ １ ） ３ ０ ３ － ５
计
算
机
仿
真
２１年３ ０ ２ 月
下 肢 携 行 外 骨 骼 系 统 模 糊 自适 应 位 置 控 制 研 究
杨 秀霞 张 ， 毅 归 丽华 杨 智 勇 ， ，
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ ：ｎ ｏ ｄ ｒ ｔ ｖ ｒ ｏ ｈ ｉａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆｃ ｎ ｅ ｔ ｎ ｌｓａ ｃ ｈ ｓ ｏ ｉ ｏ ｏ ｔｏ ｆ ｌｗ ｒ ｅ ｔｅ Ｉ ｒ ｅ ｏ ｏ ｅ ｃ ｍｅ ｔｅ ｄ ｓ ｄ ａ ｔ ｇ ｓ ｏ ｏ ｖ ｎｉ ａ ｔ ｎ ｅ ｐ ａ ｅ ｐ ｓｔ ｎ ｃ ｎ ｒｌ ｏ ｏ ｅ ｘ ｒｍｅ ｏ ｉ ｅ ｏ ｋ ｌｔ ｎ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｒ ｃｓｏ ｎ ｈ ｐ ｅ ｘ ｓ ｅｅ ｏ ，ｉ ｒ ｖ ｈ ｏ ｔ ｅ ｉｉｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｅ ｄ，ａ ｄ ｉｃ ｅ ｓ ｈ ｄ ｐ ａ ｉ ｔ ｎ ｏ ｕ ｔｅ ｓ ｏ ｈ ｏ ｔ ｌ ｏｐ ｎ ｎ ｒ ａ ｅ ｔ ｅ ａ ａ ｔｂ ｌ ｙ ａ ｄ ｒｂ ｓｎ ｓ ｆ ｅ ｃ ｎｒ ｉ ｔ ｏ ｓ ｓｅ ｙ ｔ ｍ，ａ ｐ ｓｔ ｎ ｃ ｎ ｒｌａｇ ｒｔｍ ｔ ｉ ｅ ｒｖ ｔ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ ｗａ ｒ ｓ ｎ ｅ ． Ｕ ｉｇ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｓｏ ｚ ｙ ｏ ｉ ｏ ｏ ｔｏ ｌｏ ｉ ｉ ｈ ｗｉ ｆ ｄ ｇ ａ ｉ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｓｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｈ ｘ ｙ ｏ ｓｎ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｆｆ ｚ ｉ ｃ ｕ ｒａ ｏ ｉ ｇ ｌｇ ｃ ａ ｐ ｒ ａ ｈ ｎ ｏ ｌ ｅ ｒｆ ｎ ｔ ｎ ，ｔ ｅ ｆ ｚ ｙ ａ ａ ｔ ｅ ｐ ｓｔ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌ ａｇ ｒ ｈ ｗ ｔ ｉｅ ｒｖ ｔ ｅ ｓ ｎ ｎ ｉ ｓ ａ ｐ ｏ ｃ ｉ ｇ ｎ ｎ ｉ ａ ｕ ｃｉ ｓ ｈ ｕ ｚ ｄ ｐ ｉ ｏ ｉ ｏ ｏ ｔ ｌ ｏ ｔ ｍ ｉ ｆ ｄ ｇａ ｉ ｏ ｎ ｏ ｖ ｉ ｏ ｉ ｈ ｘ ｙ
明是 一种 行 之有 效 的控 固定重力补偿 ； 模糊 自适应位置控制
中 图 分类 号 ：Ｐ４ ． Ｔ ２ １３ 文 献 标 识 码 ： Ｂ
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（ ．海军航空工程学院控制工程系 ， １ 山东 烟台 ２４ ０ ；． ６ ０ １２ 海军航空工程学院研究生管理大队 ， 山东 烟 台 ２４ ０ ； ６０ １ ３ 海军航空工程学院战略导弹工程系 ， ． 山东 烟 台 ２ ４ ０ ） ６ ０ １ 摘要： 研究下肢携行外骨骼系统稳定性控制问题 。下肢携行外骨骼系统支撑行走 阶段位 置控制存在稳定性 、 时性不足 ， 实 提 高位置控制 的速度及精度 ， 使具有适应性和鲁棒性 ， 了克服具有实时重力补偿 的传 统方法 ， 出固定重力补偿 的位 置控制 为 提 方法 ， 并利用模 糊推理 逻辑可 逼近非线性 函数 的特点 ， 将摸糊控制算法与具有 固定重力补偿 的传 统 Ｐ Ｄ控 制算 法相结合 ， 提 出了具有 固定重力补偿 的模糊 自适应位置控制算法 ， 应用到下肢携行外骨骼支撑行走 阶段 的位置控制 中。仿 真结 果表明控 制方法能够使外 骨骼准确迅速跟踪人体运动 ， 并能够显著减小人所施 加 的力矩 ， 系统鲁棒性较强 ， 能够适 应负载 的变化 ， 证