柔性外骨骼机器人技术研究

设计一种用于老年人日常生活腰部助力的外骨骼机器人,该可穿戴式腰部助力机器人利用气动肌肉实现轻量化,穿戴舒适同时柔性助力.本着服务老年人的目的,这套机构采用了柔性外骨骼的设计结构,可以给使用者动作进行时提供腰部所需助力,借助气动肌肉进行身体和腰部需要的地方助力.进行了外骨骼的柔顺控制研究和柔性可穿戴式机构设计,实现老年人的躺到坐、坐到直立等运动.该机构主要是提供助力,从而达到预期的结果,可以缓解日益严重的老龄化带来的日常生活问题.     

一种自适应背部外骨骼设计与研究

外骨骼机械是一种穿戴式设备,可以给人体提供助力、保护以及搭载设备等功能,目前在工业、快递搬运以及康复训练器械中广泛运用。针对现有背部外骨骼自由度低所导致的穿戴舒适性差的情况,以及提高外骨骼机械的大众化程度,提出了一种自适应背部外骨骼。该外骨骼能够自适应于不同肩宽与腰长的人穿戴,结构上能基本满足人体腰部的运动,可作为用于连接上肢外骨骼与下肢外骨骼的中转机构,为全身外骨骼机构的设计提供一种结构简单,维护方便,成本可观的方案。首先通过对人体腰部自由度的分析,设计满足腰背部运动的外骨骼骨架,并在Solidworks软件内进行三维建模。为了验证所设计的背部外骨骼满足腰部运动,运用D-H表示法搭建各关节之间的数学关系,并于Matlab软件的机器人工具箱中,利用蒙特卡罗法完成人体脊椎与外骨骼刚性骨架的运动空间仿真,通过对比两者的运动空间重合情况,理论验证了机械结构合理性。最后通过制造实物对装置功能进行验证,从实际角度证明了外骨骼骨架的自适应性以及其在大众化上的合理性。     

基于虚拟样机技术的外骨骼助力搬运机器人结构设计与仿真研究

针对现有外骨骼助力搬运机器人结构复杂、价格昂贵的问题,对外骨骼助力搬运机器人虚拟样机技术的结构设计、运动学与控制仿真展开了研究。设计了一款结构相对简单,在人体弯腰搬运重物时对人体腰部提供助力,且肘关节设计为自锁机构的可穿戴全身外骨骼助力搬运机器人;通过对外骨骼下肢运动学模型建立了D-H坐标,进行了正逆运动学分析;利用虚拟样机技术,采用人体步态行走时所采集的实验数据,对外骨骼助力搬运机器人进行了步态运动的仿真分析与联合控制仿真。研究结果表明:所设计的外骨骼助力搬运机器人的步态仿真运动与人体的实际数据相符,验证了所设计结构的稳定性与可靠性。     

可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统可靠性及应用伦理问题研究

近年来,外骨骼系统已成为机器人、机电一体化、人工智能等研究领域的热点.但值得一提的是外骨骼系统需要人穿戴外骨骼进行操作,外骨骼任何一个"非理性"的动作都可能对操作者造成严重的伤害.因此,外骨骼系统必须有很高的可靠性.本文提出了可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统可靠性设计原则,并建议对可能引起伦理争议的系统应用进行约束,为今后柔性外骨骼人机智能系统的发展以及人和智能机器的和谐共存提供参考.     

基于推拉式软轴传动的外骨骼机械系统研究

针对近年来老年人数量急剧增加而带来的对助老助残工具的迫切需求,从仿生的角度设计了一款外骨骼助力机器人。在确定使用推拉式软轴驱动运动关节后,首先完成了外骨骼机器人肩肘部关节等结构和机构的设计;随后对踝关节等柔性驱动进行设计,并对各个关节的活动范围进行了分析。最后在动力学仿真软件中对外骨骼机器人腿关节运动、足端运动进行了动力学分析和行走步态的运动学分析,证明了该机器人在运动平稳性和速度稳定性方面能够满足其作为助力工具的需求。     

气动人工肌肉外骨骼机器人位置跟踪控制

针对以气动人工肌肉作为关节驱动器的外骨骼机器人关节位置跟踪控制问题进行了研究。首先,在动力学模型的基础上,设计了上层控制器,并结合自适应控制和滑模控制方法降低了动力学参数不准确和扰动项未知对外骨骼机器人的影响;其次,基于无模型方法设计了底层关节力矩控制器,调整外骨骼机器人的关节力矩;最后,针对上述控制方案设计仿真实验与外骨骼机器人的穿戴实验。结果表明,该控制方法对气动人工肌肉外骨骼机器人的关节位置跟踪控制是有效的。     

行走助力型下肢外骨骼机器人的设计与控制

针对行走助力需求,通过对人体下肢结构与运动特征进行分析,采用模块化的方法设计了一款下肢助力外骨骼机器人。考虑不同场景穿戴者的运动特点,基于该系统设计了主动助力与随动跟踪 2 种控制模式。行走实验表明,该下肢外骨骼机器人既可以实现负重助行的功能,也能对目标关节轨迹进行快速的跟踪而不阻碍穿戴者的正常运动。     

面向下肢康复的柔性外骨骼机器人进展研究

作为近年来新兴的机器人技术,柔性外骨骼结合了柔性驱动和可穿戴机构,有效解决了传统刚性外骨骼机器人重量大、顺应性差、效率低、穿戴舒适性差的问题,因此尤其适用于运动障碍患者的辅助行走及运动康复,已成为主动康复领域发展的重要方向之一。本综述聚焦下肢柔性外骨骼助行机器人近十年的创新与应用进展,收集整理了60篇目标文献,其中,线驱动50篇,气动驱动7篇,其他驱动3篇,从柔性驱动结构设计、控制方法、康复应用3个方面对相关研究进行剖析讨论。目前,柔性外骨骼主要以线驱动和位置控制研究为主,发展方向为设备轻量化,驱动柔顺化,并结合电生理信号研究和人机交互理论以期降低人体代谢。相关临床试验表明柔性外骨骼有利于患者步态的对称性增强,步速增加,更接近于正常步态。未来,柔性外骨骼机器人有望为步态障碍患者带来更好的主动康复效果和穿戴体验。     

下肢外骨骼助力机器人本体结构设计与运动学分析

下肢外骨骼助力机器人是一种可以拓展人体关节机能,并可在特殊环境下作业的人机共融型机器人。基于人体下肢生物力学特点,阐述了下肢外骨骼助力机器人的机构设计原理及过程,分析了外骨骼机构的运动学关系,通过ADAMS匹配外骨骼与关节驱动范围并进行了机构优化,可以完成人体的代表性深蹲动作,为外骨骼助力行走留有较大的关节运动裕量,虚拟样机联合仿真也验证了外骨骼助力机器人的设计可行性。     

一种助力髋关节伸展和屈曲的柔性外骨骼机器人

随着下肢外骨骼机器人的发展,出现了各种各样应用于医疗康复等领域的刚性外骨骼.刚性外骨骼会增加下肢额外的惯性力并限制人体运动的自由度;与刚性外骨骼相比,柔性可穿戴下肢外骨骼则可将一些对人体运动的影响因素减至最小.根据人体在行走过程中髋关节动力学变化,设计了一种为髋关节伸展和屈曲提供助力的柔性外骨骼.根据髋关节的关节力矩和关节力的变化,提出了一种助力策略和期望助力曲线控制电机追踪期望力曲线,从而得到实际作用于髋关节的实际力.为了减少由佩戴位置和穿戴者身材特征而引起的误差,提升助力效果,引入了PD型迭代学习控制(ILC).为了评估助力效果,测量了4名受试者分别在穿戴外骨骼不助力、助力髋关节伸展和屈曲以及仅助力髋关节伸展3种不同情况下产生的新陈代谢能;通过产生的新陈代谢能的值来评估助力效果.结果表明,与仅辅助髋关节伸展和穿着外骨骼不助力的情况相比,助力髋关节伸展和屈曲的平均净新陈代谢能分别减少了0.445 W/kg和1.027 W/kg,平均净新陈代谢率分别降低了7.45％和15.67％.