基于模糊PID的助行外骨骼机器人控制研究

为了研究外骨骼机器人的步态控制,提出了一种基于模糊PID的算法,首先给出机器人的一般增量式PID控制算法,然后根据机器人关节角度误差和误差变化量的参数,选择了隶属函数,最后结合实际操作经验,建立了模糊规则表,完成了对PID参数的在线自整定.试验结果表明,模糊PID控制方法能够使外骨骼机器人平稳运动,初步实现了机器人的步...     

下肢外骨骼助行机器人研究现状及发展趋势

随着科学技术的进步和人们对于增强自身能力的渴望,下肢外骨骼助行机器人已成为国内外"人机一体化"的一个重要研究方向。根据研究工作积累和文献资料调研,总结了国内外主要研究机构对于下肢外骨骼助行机器人的研究现状,分析了下肢外骨骼助行机器人研制需要解决的关键技术,对下肢外骨骼助行机器人的发展趋势进行了预测。研究工作表明:下肢外骨骼助行机器人在穿戴性、智能化以及便携性等方面都有了突破性的发展,但是应当加强对微型能源、轻质便携材料、多功能系统等的研究和开发,才能广泛应用于军事、科考、旅游、交通、救灾等领域。     

基于运动意图识别的上肢助力外骨骼复合控制方法研究

针对上肢助力外骨骼助力时响应延时问题,提出一种基于人机交互力信号、位姿信号数据融合的运动意图识别算法,使用支持向量机(Support vector machine, SVM)分类器对人体运动信号进行分类,确定穿戴者运动意图,对控制参数做出适应性调节,改变人机协同控制系统响应速度。采用果蝇优化算法(Fruit fly optimization algorithm, FOA)优化支持向量机,提高分类准确率;引入有限状态机(Finite state machine, FSM),处理非合理运动意图。为降低外骨骼控制系统跟踪误差,设计一种模糊控制与阻抗控制结合的复合控制方法,提高控制参数更新速度,实时调整轨迹。开展运动意图识别实验,结果表明,识别准确率可达97.93%,可快速检测出非合理运动意图,与使用肌电信号作为运动数据相比,降低信号处理难度的同时,保持了较高的准确率;通过控制系统性能仿真与外骨骼助力性能测试实验证明了控制方法的可行性。     

上肢助力外骨骼研究综述

简述了在当前疫情灾情多发、劳动力资源短缺的情况下开发上肢助力外骨骼的重要意义,介绍了外骨骼的发展历程、分类方式以及上肢助力外骨骼的特点、适用人群、应用场景等。详细介绍了国内外上肢助力外骨骼相关研究成果和产品,包括其基本构造以及评估实验结果,并对其中的关键技术（如驱动和传动、人机交互中所涉及的人体运动意图识别、人机协同运动等）进行了阐述和分析。总结了当前研究中仍存在的问题,并对上肢助力外骨骼未来的发展趋势进行了展望。     

外骨骼助行机器人的人机耦合运动特性

利用Motion Analysis三维动作捕捉分析系统,实时记录人体在平地行走的运动过程,获得了步态参数,通过分组对比,研究了老年人的行走特点。根据老年人的运动特性,设计了一种老年人外骨骼助行机器人,建立了穿戴者与外骨骼助行机器人的人机耦合模型,研究了人机耦合运动特性,为外骨骼助行机器人的耦合仿生设计提供了运动学基础。     

下肢外骨骼助力机器人的设计与跟随控制研究

下肢外骨骼是一种平行穿戴于人体下肢外侧的装置,为了应对人体康复训练等问题,对下肢外骨骼进行基本结构设计。将人体下肢步态周期分为单腿支撑和双腿支撑两种行走模式,分别进行了下肢外骨骼的动力学理论计算,计算出关节力矩。设计了外骨骼PD闭环控制系统,并基于外骨骼动力学模型对控制系统进行仿真试验,验证了算法和动力学模型满足实验需求。同时也通过下肢外骨骼样机实验验证了下肢外骨骼具有较好的跟随效果,证明了设计机构的合理性,达到助力和机构设计的初始目的,为后期研究下肢外骨骼的运动控制提供了数据支持与理论基础。     

下肢外骨骼助力机器人关节驱动设计及试验分析

针对人体下肢关节特点与助行要求,设计了外骨骼机器人关节结构;通过ADAMS软件仿真,分析了外骨骼机器人水平助行过程中关节功率配置需求,根据关节需求设计了外骨骼电液伺服驱动系统;为满足外骨骼机器人对人体下肢关节助力及柔顺性要求,提出了基于关节误差估计的PID控制方法。详细介绍了外骨骼机器人下肢关节结构的运动形式与技术参数,优化配置了关节结构的运动范围与驱动行程,对该机器人进行了运动学分析并通过外骨骼的典型动作进行验证;划分了外骨骼助行过程中步态与关节驱动映射,给出误差估计与补偿PID控制的具体参数;分别从关节跟踪与助力功率的角度,量化分析、对比了基于关节误差估计与常规PID两种控制方法的助力指标参数。试验结果表明,所设计外骨骼关节与驱动系统可实现穿戴者助力行走;对比常规PID控制,抑制了关节驱动控制输出区间的不连续,改善了关节跟踪误差,提升了助力效果与柔顺性。     

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。     

虚拟外骨骼机构的仿真研究

可穿戴型下肢外骨骼机器人,也简称为助力腿,可以用来完成依靠人的自身能力无法单独完成的远行、负重、爬楼等任务。通过对人体下肢的骨骼结构和运动情况进行分析,设计了一套助力腿机构;通过建立三维立体模型,对机构运动情况进行模拟仿真研究,并与人体运动的实际情况进行对比。     

无动力外骨骼助力机器人研究进展

无动力外骨骼助力机器人具有无能耗、成本低、使用便捷等优势,可广泛应用于工业制造、医疗康复等多个领域。系统阐述了无动力外骨骼助力机器人的定义与分类,介绍了助力原理;绘制了国内外典型无动力外骨骼助力机器人机构运动简图并简述了相应的结构原理;最后根据调研结果归纳了现阶段存在的不足、需要突破的关键技术等。对于无动力外骨骼助力机器人的研究与应用具有一定的参考价值。     

外骨骼机器人助力效率测试技术研究

国内外很多机构都将摄氧量作为评价外骨骼机器人性能好坏的指标之一,但各研究结果存在差异。针对摄氧量的测定易受多因素干扰等问题,通过气体分析仪和polar表研究在行走过程中跑步机的坡度、负载重量以及呼吸方式等不同因素对人体运动摄氧量和心率的影响。结果发现当坡度由0°增加到10°时,人体运动的摄氧量增加了121%,心率增加了36%;在相同坡度下,人体运动时的摄氧量和心率随着负载重量的增加近似线性增加;憋气的呼吸方式会引起摄氧量增加25%,心率增加7%。这对外骨骼机器人助力效率的测试具有指导意义。     

基于ANSYS的助力外骨骼液压动力单元热分析

为了实现助力外骨骼长时间稳定可靠运行的目的。以助力外骨骼原理样机液压动力单元为研究对象,采用傅里叶级数拟合方法建立了助力外骨骼运动学模型,分析助力外骨骼液压系统,得到助力外骨骼液压动力单元所需散热功率。利用Ansys仿真软件对助力外骨骼液压动力单元进行建模和热仿真,分析助力外骨骼液压动力单元实际散热功率和温度场,针对助力外骨骼液压动力单元温升问题提出相应的解决方案。     

面向下肢助力外骨骼的脚底测力系统研究

要实现下肢助力外骨骼机械腿对穿戴者的运动跟随及有效助力,通过检测穿戴者脚底力变化信息进行运动意图识别是非常关键的环节。针对下肢助力外骨骼机器人的控制需求,提出了一种鞋垫式脚底测力系统。进行了脚底测力系统本体设计及传感器信号调理电路的设计,并进行了脚底测力系统的实验研究。设计出的脚底测力系统应用于下肢助力外骨骼机械腿控制中,实验结果表明,脚底测力系统检测出的足底压力变化信息能很好的实现外骨骼机械腿的控制。     

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,...     

助力下肢外骨骼行走过程运动学研究

助力下肢外骨骼在行走过程的各关节角的运动学规律是研究下肢助力外骨骼的关键,其行走动作与人体行走动作有着高度的偕行性。通过光学捕捉系统结合高速摄像机获得人体不同状态下行走动作的空间坐标点,建立人体行走的棍图模型,基于MATLAB平台拟合负重为0kg、10kg、30kg、50kg行走速度为3km/h、4km/h、4.8km/h、6km/h的关节角运动学方程,结合西南交通大学第二代助力下肢外骨骼计算膝关节处驱动液压缸的线速度。实验结果为液压缸的选型、驱动控制系统的设计提供了理论基础。     

助力下肢外骨骼直立行走过程研究

助力下肢外骨骼在行走过程的各关节角的运动学规律是研究下肢助力外骨骼的关键,其行走动作与人体行走动作有着高度的偕行性。通过光学捕捉系统结合高速摄像机获得人体不同状态下行走动作的空间坐标点,建立人体行走的棍图模型,基于MATLAB平台拟合负重为0kg、10kg、30kg行走速度为3km/h、4km/h、6km/h的关节角运动学方程,结合西南交通大学第二代助力下肢外骨骼计算膝关节处驱动液压缸的线速度及线加速度。实验结果为液压缸的选型、驱动控制系统的设计提供了理论基础。     

基于ADAMS的助力型外骨骼特征动作驱动液压缸运动学研究

以助力型外骨骼为研究对象,以建立助力型外骨骼运动学模型以及分析外骨骼运动学特性为研究目标,以运动生物力学为基础,选择单膝下跪-起立动作为特征动作,采用多层次光学捕捉系统采集人体运动数据,采用多波峰(波谷)最小二乘法进行数据拟合,得到人体运动时特征角度的数学模型。助力型外骨骼在完成动作时需要与人体高度偕行,因此将特征角度的数学模型运用到助力型外骨骼中,建立外骨骼三维模型,在ADAMS软件中完成外骨骼特征动作仿真,以此来分析外骨骼运动学特性。     

基于神经元振荡器的下肢助力机器人动力学仿真

为实现下肢助力机器人与人运动的同步,提出了一种基于神经元振荡器的智能控制方法,并将此方法应用于助力机器人的研究中.首先,建立了两自由度下肢助力机器人的机械模型.其次,在现有神经元的基础上,设计了一种新的下肢助力机器人神经元振荡器,并分析了它的特性.最后,将该神经元振荡器应用于助力机器人关节的控制中并进行动力学仿真,仿真...     

一种民用机械外骨骼助力装置的设计

通过人体结构力学分析,设计了一种民用机械外骨骼助力装置。该装置是一种通过传感器控制液压系统驱动机械装置运动的、模拟人体运动的机电液一体化的助力装置,可降低人在高负重运动时所消耗的能量、提高人体负重上限,可应用于建筑工地、搬家公司、物流搬运等领域以减轻工作人员的负载。     

一种主动型踝关节助力外骨骼设计及性能实验

为实现踝关节的运动助力,针对踝关节运动过程角度变化快、运动自由度多的特点,本文提出了一种基于多支链空间连杆机构的主动助力外骨骼,通过电机带动丝杆传动并组合空间连杆机构的设计方式,实现了踝关节主动的背屈/ 跖屈及从动的内收/ 外展,旨在提高踝关节外骨骼运动跟随的协调性,减少其对穿戴者运动自由度的限制。 基于脚底测力系统进行步态识别,采用运动状态机对踝关节助力外骨骼进行分层控制策略研究。 并对踝关节进行运动实验测试及助力评估。 实验结果表明,踝关节外骨骼的有效助力范围(跖屈 30° ~背屈 20°,内收 35° ~外展 15°)能够满足正常行走需求,具有良好的运动跟随性(角度误差≤2°),受试者小腿肌电信号明显衰减,减幅均值可达 28. 91% ,可实现有效助力。