下肢外骨骼康复机器人设计及运动学分析
发表时间：2017-03-16T14:57:02.420Z 来源：《科技中国》2017年1期作者：王子鸣[导读] 本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。
（宜昌市葛洲坝中学湖北宜昌 443002）
摘要：下肢运动功能障碍患者为数众多，常规的康复训练高度依赖理疗师，成本昂贵，常人难以承受。下肢外骨骼康复机器人能有效解决这一社会问题。本文设计了一个单腿两自由度主动驱动的下肢外骨骼康复机器人。采用两个直线驱动器分别驱动髋关节和膝关节的运动，直线驱动器末端安装有力传感器，通过时时检测人-机作用力实现机器人的柔顺控制。本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。仿真结果表明该下肢外骨骼康复机器人具备辅助病人的能力。关键词：下肢外骨骼，柔顺控制，轨迹规划 0 引言
随着人口老龄化的发展，脑卒中，骨关节炎等老龄化疾病患者数量逐渐增加。这类患者往往患有各种致残的疾病，丧失正常的运动能力[1]。在这样的时代背景下，未来社会对康复医疗的需求将越来越迫切。下肢外骨骼机器人将为解决这一社会问题发挥重要的作用。
近年来，国内外众多研究机构对康复机器人开展了深入的研究。在台架式下肢外骨骼康复机器人研究方面，瑞士HOCOMA公司和瑞士苏黎世联邦理工大学共同研制的Lokomat外骨骼康复机器人，它髋关节和膝关节各采用一个直线电机进行驱动，单腿具有两个自由度，双腿四个自由度。该机器人在轨迹控制的基础上采用了阻抗控制的方式，具有很好的实用性和用户体验[2-4]。哥伦比亚大学研发的ALEX，除了单腿的四个自由度之外，骨盆上还具有四个自由度，机器人总共具有十二个自由度，它将电机放在下肢外骨骼后方,采用带轮等实现电机远端驱动，有效地降低了机器人运动部件的惯量，该机器人采取将切向力和法向力作用在患者的踝关节的方式,切向力帮助患者按照轨迹移动,法向力用于调整踝关节轨迹的法向运动阻碍[5]。荷兰屯特大学研发的LOPES，该机器人采用绳驱动的方式，单腿有四个自由度，除了髋关节和膝关节在矢状面上的各一个旋转自由度外，还增加了骨盆的移动和髋关节的内收外展运动。该机器人同时具有两种不同的控制模式，分别为机器人主动和患者主动，充分考虑到了不同人的行走能力，能根据患者的实际需要提供必要的辅助[6]. 瑞士洛桑理工大学研制的WalkTrainer，它髋关节，膝关节，踝关节各一个自由度，单腿具有3个自由度，同时骨盆具有6个自由度，机器人总共有12个自由度。该机器人采用了肌肉电刺激的物理疗法，同时通过腿部外骨骼上的力传感器，实现了人-机的闭环控制[7]。国内上海璟和研制的Flexbot机器人实现了多体位的康复训练，病情严重的病人在康复训练初期可以躺着进行康复训练，待恢复得较好时，可以选择站立式训练[8]。
此外，在独立式下肢康复外骨骼方面，以色列的Rewalk[9], 美国的EKSO[10]，日本的HAL[11]等都是下肢康复机器人中的杰出代表。国内的电子科技大学研制的外骨骼机器人[12]，北航研制的“大艾’外骨骼机器人[13]也取得了可喜的成绩。
与传统的工业机器人相比，康复机器人的一个突出特点是与人的交互十分频繁。安全性，舒适性，以及适应各种不同的工作环境是康复机器人需要考虑的重要问题。相反，工业机器人所需的高精度，高速度等特性在这里要求并不高。因此，设计出具有柔顺性的下肢外骨骼康复机器人具有重要的意义。
本文将就设计出一套下肢外骨骼康复机器人展开论述。首先，将根据人体下肢结构进行机器人的机械机构设计，接着进行机构的运动学分析，并使用MATLAB软件对该机构进行仿真。仿真结果表明该机器人具有协助病人进行康复运动训练的能力。
1 机构模型
1.1机构模型设计
人体结构模型是设计下肢外骨骼康复机器人基础。因此，我们先对人体下肢进行分析。人体下肢主要有三个关节，分别是髋关节，膝关节，踝关节。髋关节主要有髋臼和股骨组成，在运动时，股骨绕着髋臼运动，是一个球窝关节。膝关节连接了股骨和胫骨，踝关节主要由胫骨和腓骨下端的关节面与距骨滑车构成[14]。人体行走过程中，矢状面上的运动占主导地位。为了机构的简化，我们仅考虑下肢在矢状面上的运动，并把髋、膝、踝关节都简化为铰链关节。
该下肢外骨骼康复机器人为台架式下肢外骨骼机器人，上方的支架与台架相连接。髋关节与膝关节之间的连杆与大腿绑定，膝关节与踝关节之间的连杆与小腿绑定。直线驱动器由直流电机，同步带，滚珠丝杠，以及末端的力传感器组成。同步带，滚珠丝杠等机构把直流电机的转动转化为直线运动。力传感器能够实时检测到直线驱动器的推力，当推力过大时，直线驱动器减慢速度或者停止运动甚至向反方向运动，力传感器的加入增加了康复机器人的柔顺性，避免了机器人对人的伤害。该机构中髋关节和膝关节由两个直线电机主动驱动，踝关节为被动运动。为了能够适应不同人的腿长，设计了长度调节机构。该调节机构为在调节机构上下部之间都加工出一系列出通孔，上下两部分通过螺栓连接。通过调节机构下部分与上部分在不同位置连接，可以改变机构的长度。
1.2机构参数
人体正常步行过程中，髋关节最大屈曲约30°，最大伸展约20°，膝关节最大屈曲约为65°、最大伸展为0°。踝关节最大背屈约为30°，最大跖屈约为50°[14].我们设计的该机构的适应人体身高为150mm-190mm.根据这个数据，经过运动学解算，我们选择直线驱动器的工作行程范围如表1所示。
第二十一届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛项目论文 外骨骼机器人设计、控制机理研究 院（系）名称自动化科学与电气工程学院 专业名称自动化 学生姓名刘旭郑博文徐健伟 学号刘旭38030410 郑博文38030423 徐健伟38030518 指导教师刘正华副教授 2011年4月1日
摘要 外骨骼，类似某些动物的外壳，是一种能穿在人身上,提供额外的动力的机械装备，能够实现行动障碍人士的康复训练以及负重行走等功能。它主要分为三个部分：机械部分，软件部分，电气部分。其中机械部分的主要作用是承担负重，保证系统能实现运动的功能；软件部分主要用于整个系统的数据采集、控制信号的发出；电气部分主要用于给系统供电、完成信号采集、发送和运动的功能。我们设计制作了一种外骨骼机器人。本文针对此项作品主要介绍了当前外骨骼机器人的研究现状和本作品的制作背景，阐述了一种负重型外骨骼机器人的设计过程及相关结构。本文是对“外骨骼机器人设计、控制机理研究”作品的比较全面的介绍。 关键词外骨骼，机器人，PID控制，电机控制，虚拟样机 Abstract Exoskeletons, like the shells of some sorts of animals, are a kind of mechanical equipment that can help the disabled to learn to move normally and provide the users with extra strength to bear more than he can actually do walking or running. In general, it can be divided into three parts, mechanical part, software part and electrical t part. Among these, the mechanical part is used to bear the weight, the software part is to get state data and send out control signal and the electrical part is to power the system, pick signal and move. We have already made a sort of this, and with regard to it, this article is mainly about the previous studying condition and the background of this work. In addition, the procedure of our designing and working with the kind of exoskeletons is specifically described. This article is a comprehensive introduction to our work …The design of a sort of exoskeletons and study of how to control it?. Abstract Exoskeletons, Robort , PID Control, Motor control, Virtual prototype
PLC的工业机器人设计及发展分析 作者:辛颖 摘要工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术定的原则纲领行动。本文从工业机器人的特点出发,简单介绍了基于PLC的工业机器人关节直流伺服系统的设计,并简单分析了工业机器人的现状及发展. 关键词工业机器人PLC 先进技术 一、引言 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的专门系统。因其灵活性高、输出功率大、定位精确的特点，工业机器人被广泛应用于制造业的各个环节。以其高效，高质、稳定的运转工作，工业机器人为所在行业的高效生产和稳定质量起到重要作用。 在生产方面，以工业自动化为主要发展方向的方针下，我国自主研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，这些研制出来的专用工业机器人，在很大程度上提高了我国生产率和生产效率，对我国国民经济的发展起
到了重要的推动作用。 在军事方面，目前世界上许多国家正在致力于研发军事机器人，并且已有正式投入于现代战争的实例。军事机器人主要被应用于侦查、探测、拆弹等比较危险的方面，军事机器人可以在对人类构成威胁的环境中运行自如，以此来把士兵从充斥着死亡的战场中解放出来。 在人们的生活中，也能发现机器人的影子。医疗机器人，已经应用于用于世界各地的许多手术室中的外科手术机器人，由医用机器人和工业机器人的技术结合而诞生的康复机器人，它们都给人们的生活带来更多的方便。 二、工业机器人特点 工业机器人最显著的特点有以下几个： (1)可编程。生产自动化的进一步发展是柔性启动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。 (2)拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。 (3)通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、
机器人课程设计报告范例
**学校 机器人课程设计名称 院系电子信息工程系 班级10电气3 姓名谢士强 学号107301336 指导教师宋佳
目录 第一章绪论 (2) 1.1课程设计任务背景 (2) 1.2课程设计的要求 (2) 第二章硬件设计 (3) 2.1 结构设计 (3) 2.2电机驱动 (4) 2.3 传感器 (5) 2.3.1光强传感器 (5) 2.3.2光强传感器原理 (6) 2.4硬件搭建 (7) 第三章软件设计 (8) 3.1 步态设计 (8) 3.1.1步态分析： (8) 3.1.2程序逻辑图： (9) 3.2 用NorthStar设计的程序 (10) 第四章总结 (12) 第五章参考文献 (13)
第一章绪论 1.1课程设计任务背景 机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成．这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统现在机器人普遍用于工业自动化领域，如汽车制造，医疗领域，如远程协助机器人，微纳米机器人，军事领域，如单兵机器人，拆弹机器人，小型侦查机器人（也属于无人机吧），美国大狗这样的多用途负重机器人，科研勘探领域，如水下勘探机器人，地震废墟等的用于搜查的机器人，煤矿利用的机器人。如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现；纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明 1.2课程设计的要求 设计一个机器人系统，该机器人可以是轮式、足式、车型、人型，也可 以是仿其他生物的，但该机器人应具备的基本功能为：能够灵活行进，能感知光源、转向光源并跟踪光源；另外还应具备一项其他功能，该功能可自选（如亮灯、按钮启动、红外接近停止等）。 具体要求如下： 1、根据功能要求进行机械构型设计，并用实训套件搭建实物。 2、基于实训套件选定满足功能要求的传感器； 3、设计追光策略及运动步态； 4、用NorthStar设计完整的机器人追光程序；
人体下肢外骨骼机器人的步态研究现状 王楠，王建华，周民伟 外骨骼（exoskeleton ）一词来源于生物学，是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构[1]，如甲壳类和昆虫等节肢动物的外骨骼系统。人体外 骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置结合为一体的机器人[2]。美国于2000年开展了“增强人体机能的外骨骼”（Exoskeletons for Human Performance Augmentation ，EHPA ）研究项目[3-4]，自此，外骨骼机器人的开发与应用逐渐进入 人们的视线，成为关注的焦点。由于外骨骼机器人不仅为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，还能在操作者的控制下完成一定的功能和任务，因此在下肢功能障碍患者的步行功能锻炼过程中的应用逐渐增多[5-7]；此外，其在单兵作战装备 【摘要】外骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置相结合的一种机器人，不仅可以为操作者提供保护、身体支撑等功能，还可以在操作者的控制下完成一定的功能和任务，应用前景巨大。文中阐述人体下肢外骨骼机器人下肢外骨骼实现行走应具备的关节及其活动度，介绍下肢外骨骼机器人步态控制的基础——正常步态分析，详细论述了目前控制下肢外骨骼机器人行走及步态稳定性的主要方法。 【关键词】下肢；机器人；外骨骼；步态 中图分类号：R-05，R336文献标识码：A 文章编号：1674-666X(2012)01-0062-06 Current researches of gait analysis on human lower extremity exoskeleton robotic device WANG Nan,WANG Jianhua,ZHOU Minwei.Department of Overseas Chinese,Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command,Guangdong 510010,China 【Abstract 】Exoskeleton robotic device is a kind of robot that combines the intelligence of human with the mechanical power of machine,which can not only provide protection and support for operators but also accomplish certain functions and missions under the control of operators.In this paper,relative key factors of lower extremity exoskeleton robotic device techniques are introduced briefly such as the joints and the range of motion (ROM)which the lower extremity exoskeleton should be equipped,the normal gait analysis which is the basis of gait control of the exoskeleton robot,and then the major walking control methods and gait stability control methods for lower extremity exoskeleton robotic device which are discussed in detail. 【Key words 】Extremities;Robotics;Exoskeleton;Gait DOI ：10.3969/j.issn.1674-666X.2012.01.010 基金项目：广东省科技计划项目（2010B010800006），广州市科技计划项目（2010J-E311） 作者单位：510010广州军区广州总医院华侨科（王楠）；脊柱外科（王建华）；医务部（周民伟）E-mail ：115989930@https://www.doczj.com/doc/ac9763817.html, 综述
机器人技术基础 三级项目报告 设计题目：两自由度串联机器人分析与设计指导教师：赵永杰 学生姓名：citycars 学号：09128888 邮箱：citycars@https://www.doczj.com/doc/ac9763817.html, 院系：机械电子工程系 汕头大学 机械电子工程系 2012年6月17日
目录 1.前言 (3) 2.运动学模型 (4) 3.机器人的位置及速度分析 (5) 3.1建立机器人位置输入输出方程 (5) 3.2建立机器人的速度关系及推导出雅可比矩阵 (5) 3.3机器人的位置反解 (5) 3.4机器人的速度反解 (7) 4.机器人的速度各项同性分析及设计 (8) 4.1速度各项同性分析 (8) 4.2速度各向同性设计求解 (10) 4.3求解及分析 (10) 4.4综合分析 (12) 5.结语 (13) 6附录 (13) 附录1：位置反解程序 (14) 附录2：速度反解程序 (15) 附录3：速度各向同性程序 (15)
两自由度串联机器人分析与设计 【摘要】通过建立两自由度串联机器人位置输入输出方程，建立两自由度串联机器人的速度关系，推导出雅可比矩阵，分析两自由度串联机器人的速度各向同性的条件，设计出一各向同性的构型。 关键词位置方程速度关系雅可比矩阵各向同性 1.前言 随着现代科学技术的迅猛发展，特别是由于微电子技术、电子计算机技术的迅猛发展，机器人更加广泛地应用于各个领域。工业机器人靠自身动力控制能力来实际各种功能，大都用于简单、重复、繁重的工作，如上、下料，搬运等，以及工作环境恶劣的场所，如喷漆、焊接、清砂和清理核废料等。本课程设计旨在通过工业机器人的一个小分支-----两自由度串联机器人，其输入输出方程、雅可比等的分析，以及对于速度各向同性的分析和设计，对工业机器人有初步的了解，为以后从事工业机器人相关工作奠定基础。
绿化植树机器人设计 摘要： 这个机器人是针对大量绿色植树而设计的，利用机械四足作为其活动方式，机器人通过视频识别系统在有限范围内对地形与植被作出判断，然后通过自动行走系统移动到目标地点前面，再通过机械手取出携带的植物幼苗，通过这个可以360度旋转的机械臂进行种植工作，机械臂可以进行种植、培土、等工作。种植完成后还将用一层可分解的塑料薄膜覆盖植物幼苗，保证其在能够自行成长前的安全。 关键词： 绿化植树、四足行走、山坡作业、视频识别、机械臂操作 设计背景： 地球现在正面临着绿色植被在不断减少的危机，而人类也因为这样要面对日益严峻的环境问题。大量植树还原绿色植被是一个相当重要的手段来解决这个难题，但是依靠人力去做的话，效率始终不够高。所以在这里我想设计一个专门用于大作业量的绿化植树机器人。 设计思路： 这个机器人，是需要面对山坡这样的陡峭地形的，由于特殊的使用环境，机器人的活动方式要求能够灵活的应对颠簸不平的土地，机械四足需要能够根据不同的地势调整四足的高度，确保平稳的行走，这种活动方式才能使机器人轻松到达山崖大部分位置。移动起来必须十分的轻巧，以避免对其他植物的伤害。由于这个机器人对视频识别有着较高的要求，所以必须在这方面有所突破，同时当发现有杂草或者有害植物的时候，还可以通过高温蒸汽将其杀死，来保证种植的植物幼苗的生长。360度旋转的机械臂可以保证种植过程的顺利进行。 详细具体设计方案： 一．整体结构： 1.整个机器人分成上下两大部分，上部分是机械手臂，主要实现机器人的整个种植 操作，下部是机器人的机身和四足，包括：植物幼苗存放仓、红外线距离测量 仪、摄像头、电脑处理系统。 2.机器人是通过电力驱动的，所以必须携带储电池，也是安装在机身。 二．中央处理系统： 机器人的机身将安装一个中央处理系统，作为机器人的大脑，它主要调节机器人三 大系统：机械四足行走系统、机器人视觉系统、机械臂控制系统。中央处理系统要 接收和分析红外线距离测量仪、摄像头、机械臂传感器等反馈信息，以及控制四足 的行进系统、机械臂操作等。 三．机械四足行走系统： 1.机械四足的形状： 一开始的时候，我曾经很困惑于如何把握行走稳定与行走速度之间的平衡，后来设 想出仿人类四肢的关节加上圆形的脚盘这个方案，总体感觉可以满足行走的需要。 2.如何实现行进： 参考了机械小狗的设计，将机械四足连接在机器人的中央处理系统而成为一个整 体，接受中央处理系统的控制。每次改变一个机械足的位置，实现整个机器人的行
中国矿业大学徐海学院 双足竞步机器人设计与制作技术报告 队名：班级： 成员： 题目：双足竞步机器人的设计与制作（交叉足） 任课教师： 2015 年1月
双足竞步机器人设计与制作任务书班级学号学生姓名任务下达日期：2014年11 月24 日 设计日期：2014年11月24日至2015年1 月8 日设计题目：双足竞步机器人设计与制作（交叉足） 设计主要内容和完成功能： 1、双足竞步机器人机械图设计； 2、双足竞步机器人结构件加工； 3、双足竞步机器人组装； 4、双足竞步机器人电气图设计； 5、双足竞步机器人控制板安装； 6、整机调试 7、完成6米的马拉松比赛。 教师签字：
摘要 文章介绍了一个六个自由度的小型双足机器人的设计加工、调试与最后实现。设计过程包括机械结构设计、电路设计与制作，机器人步态规划算法研究，利用Atmega8芯片实现了对六个舵机的分时控制，编写VC上位机软件,通过串口通信对双足竞步机器人进行调试，通过人体仿生学调试出机器人的步态规划。实现了双足竞步机器人稳定向前行走、立正、向前翻跟头、向后翻跟头。 关键词：机器人，串口通信，步态规划，舵机
目录 一、系统概述 (5) 1.1 机器人的简述 (5) 1.2 机器人的组成 (5) 1.2.1执行机构 (5) 1.2.2驱动装置 (5) 1.2.3检测装置 (5) 1.2.4控制系统 (5) 二、硬件设计 (6) 2.1硬件设计的整体分析 (6) 2.2舵机的介绍 (6) 三、软件设计 (7) 四、系统调试 (8) 4.1步态的规划 (8) 4.2软件调试 (8) 五、结束语 (8) 六、参考文献 (8) 七、附录 (9) 程序代码 (9)
下肢外骨骼康复机器人设计及运动学分析 发表时间：2017-03-16T14:57:02.420Z 来源：《科技中国》2017年1期作者：王子鸣[导读] 本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。 （宜昌市葛洲坝中学湖北宜昌 443002） 摘要：下肢运动功能障碍患者为数众多，常规的康复训练高度依赖理疗师，成本昂贵，常人难以承受。下肢外骨骼康复机器人能有效解决这一社会问题。本文设计了一个单腿两自由度主动驱动的下肢外骨骼康复机器人。采用两个直线驱动器分别驱动髋关节和膝关节的运动，直线驱动器末端安装有力传感器，通过时时检测人-机作用力实现机器人的柔顺控制。本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。仿真结果表明该下肢外骨骼康复机器人具备辅助病人的能力。关键词：下肢外骨骼，柔顺控制，轨迹规划 0 引言 随着人口老龄化的发展，脑卒中，骨关节炎等老龄化疾病患者数量逐渐增加。这类患者往往患有各种致残的疾病，丧失正常的运动能力[1]。在这样的时代背景下，未来社会对康复医疗的需求将越来越迫切。下肢外骨骼机器人将为解决这一社会问题发挥重要的作用。 近年来，国内外众多研究机构对康复机器人开展了深入的研究。在台架式下肢外骨骼康复机器人研究方面，瑞士HOCOMA公司和瑞士苏黎世联邦理工大学共同研制的Lokomat外骨骼康复机器人，它髋关节和膝关节各采用一个直线电机进行驱动，单腿具有两个自由度，双腿四个自由度。该机器人在轨迹控制的基础上采用了阻抗控制的方式，具有很好的实用性和用户体验[2-4]。哥伦比亚大学研发的ALEX，除了单腿的四个自由度之外，骨盆上还具有四个自由度，机器人总共具有十二个自由度，它将电机放在下肢外骨骼后方,采用带轮等实现电机远端驱动，有效地降低了机器人运动部件的惯量，该机器人采取将切向力和法向力作用在患者的踝关节的方式,切向力帮助患者按照轨迹移动,法向力用于调整踝关节轨迹的法向运动阻碍[5]。荷兰屯特大学研发的LOPES，该机器人采用绳驱动的方式，单腿有四个自由度，除了髋关节和膝关节在矢状面上的各一个旋转自由度外，还增加了骨盆的移动和髋关节的内收外展运动。该机器人同时具有两种不同的控制模式，分别为机器人主动和患者主动，充分考虑到了不同人的行走能力，能根据患者的实际需要提供必要的辅助[6]. 瑞士洛桑理工大学研制的WalkTrainer，它髋关节，膝关节，踝关节各一个自由度，单腿具有3个自由度，同时骨盆具有6个自由度，机器人总共有12个自由度。该机器人采用了肌肉电刺激的物理疗法，同时通过腿部外骨骼上的力传感器，实现了人-机的闭环控制[7]。国内上海璟和研制的Flexbot机器人实现了多体位的康复训练，病情严重的病人在康复训练初期可以躺着进行康复训练，待恢复得较好时，可以选择站立式训练[8]。 此外，在独立式下肢康复外骨骼方面，以色列的Rewalk[9], 美国的EKSO[10]，日本的HAL[11]等都是下肢康复机器人中的杰出代表。国内的电子科技大学研制的外骨骼机器人[12]，北航研制的“大艾’外骨骼机器人[13]也取得了可喜的成绩。 与传统的工业机器人相比，康复机器人的一个突出特点是与人的交互十分频繁。安全性，舒适性，以及适应各种不同的工作环境是康复机器人需要考虑的重要问题。相反，工业机器人所需的高精度，高速度等特性在这里要求并不高。因此，设计出具有柔顺性的下肢外骨骼康复机器人具有重要的意义。 本文将就设计出一套下肢外骨骼康复机器人展开论述。首先，将根据人体下肢结构进行机器人的机械机构设计，接着进行机构的运动学分析，并使用MATLAB软件对该机构进行仿真。仿真结果表明该机器人具有协助病人进行康复运动训练的能力。 1 机构模型 1.1机构模型设计 人体结构模型是设计下肢外骨骼康复机器人基础。因此，我们先对人体下肢进行分析。人体下肢主要有三个关节，分别是髋关节，膝关节，踝关节。髋关节主要有髋臼和股骨组成，在运动时，股骨绕着髋臼运动，是一个球窝关节。膝关节连接了股骨和胫骨，踝关节主要由胫骨和腓骨下端的关节面与距骨滑车构成[14]。人体行走过程中，矢状面上的运动占主导地位。为了机构的简化，我们仅考虑下肢在矢状面上的运动，并把髋、膝、踝关节都简化为铰链关节。 该下肢外骨骼康复机器人为台架式下肢外骨骼机器人，上方的支架与台架相连接。髋关节与膝关节之间的连杆与大腿绑定，膝关节与踝关节之间的连杆与小腿绑定。直线驱动器由直流电机，同步带，滚珠丝杠，以及末端的力传感器组成。同步带，滚珠丝杠等机构把直流电机的转动转化为直线运动。力传感器能够实时检测到直线驱动器的推力，当推力过大时，直线驱动器减慢速度或者停止运动甚至向反方向运动，力传感器的加入增加了康复机器人的柔顺性，避免了机器人对人的伤害。该机构中髋关节和膝关节由两个直线电机主动驱动，踝关节为被动运动。为了能够适应不同人的腿长，设计了长度调节机构。该调节机构为在调节机构上下部之间都加工出一系列出通孔，上下两部分通过螺栓连接。通过调节机构下部分与上部分在不同位置连接，可以改变机构的长度。 1.2机构参数 人体正常步行过程中，髋关节最大屈曲约30°，最大伸展约20°，膝关节最大屈曲约为65°、最大伸展为0°。踝关节最大背屈约为30°，最大跖屈约为50°[14].我们设计的该机构的适应人体身高为150mm-190mm.根据这个数据，经过运动学解算，我们选择直线驱动器的工作行程范围如表1所示。
《机器人技术》讨论 ——机器人设计 姓名：毛振卿田宇杜家正吉书靖 讨论组的每人贡献：毛振卿15% 田宇40% 杜家正30% 吉书靖15% 指导教师：李艳文 2017年9月
目录 1 机器人系统的设计方法 (1) 1.1 机器人系统设计的基本原则 (1) 1.1.1机器人设计的整体性原则 (1) 1.1.2控制系统设计优先于机械结构设计（理论设计优先于实际设计）原 则 (1) 1.2机器人系统设计的阶段 (1) 1.2.1总体方案设计 (1) 1.2.2详细设计 (1) 1.2.3制造、安装、调试和编写设计文档 (3) 2 机器人系统的表达方法 (3) 2.1 位姿描述 (3) 2.2 运动轨迹 (3) 3 应用举例 (3) 3.1设计目的和任务 (3) 3.2机器人系统所在工作环境 (4) 3.3机器人系统的工作要求 (4) 3.4机器人的自由度及运动范围 (5) 3.4.1. 初步分析 (5) 3.4.2. 仔细分析 (5) 3.4.3. 确定技术参数 (5) 3.5控制系统总体方案 (5) 3.6驱动方式的选择 (6) 3.7机械部分设计 (7) 3.7.1. 采用关节型操作机 (7) 3.7.2. 腰部结构设计 (7) 3.7.3. 臂部结构设计 (7) 3.7.4. 腕部结构设计 (7) 3.7.5. 传动部分 (7)
摘要：机器人系统是一个典型的完整机电一体化系统，是一个包括机械结构、控制系统、传感器等的整体。对于机器人这样一个结合了机械、电子、控制的系统，在设计时首先要考虑的是机器人的整体性、整体功能和整体参数，然后再对局部细节进行设计。 前言：本报告研究了机器人系统的设计方法，需要考虑的各方面因素，从总体到细节，以及对于机器人系统的表达方式。最后给出了理论在实际方面的应用案例。 1机器人系统的设计方法 1.1机器人系统设计的基本原则 1.1.1机器人设计的整体性原则 （1）机器人系统任何一个部件或者子模块的设计都会对机器人的整体功能和性能产生重要的影响。 （2）机器人的工作环境对机器人的整体设计也有较大影响。如果机器人用在宇宙空间的环境里，那么无论是机械结构设计还是控制系统都要考虑温度的变化、重力的影响或者电磁干扰强度等；若机器人工作在颠簸的环境，那么机械结构及控制系统的整体抗振则是设计时要注意的；若机器人用于医疗领域，则对机器人的噪声污染有着严格的要求。 1.1.2控制系统设计优先于机械结构设计（理论设计优先于实际设计）原则 设计机器人之初，首先考虑的是机器人要实现的功能，然后根据功能要求来设计机器人的性能参数。控制系统的设计更多的是对现有资源的整合和集成，总体方案设计完成之后，先确定控制系统的基本方案，在进行理论推导及实验仿真等验证是否满足设计要求后，根据控制硬件的尺寸才能进行机械结构设计。 这一设计原则的缺点是机械设计部分放在最后，机械加工周期影响了机器人的总体研制速度，总体设计周期比较长。 1.2机器人系统设计的阶段 机器人系统的设计一般可以分成以下三个阶段： 1.2.1总体方案设计 首先明确机器人的设计目的，根据设计目的确定机器人的功能要求。 然后由功能要求设计者就可以明确机器人的设计参数。设计参数对机器人而言是表征设计方案的关键物理参数，其可以表示为机器人的各个子模块组件。讲设计参数以集合的方式表示则可以表述为总体的设计方案。 最后是进行方案比较，在初步提出的若干方案中通过对工艺生产、技术和价值分析之后选择最佳方案。 1.2.2详细设计 在总体方案确定之后，根据控制系统设计优先于机械结构设计原则，首先要做
外骨骼机器人研究发展综述 李罗川
摘要 外骨骼机器人又称可穿戴机器人，是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的机器人。外骨骼机器人融合了传感、控制、驱动、信息融合、移动计算等综合技术为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构。本文介绍了外骨骼机器人的发展历史以及国内外研究现状，对外骨骼机器人的关键技术：机械结构设计，驱动单元，控制策略进行了研究，分析了其技术难点最后对其发展前景进行了说明。 关键词：外骨骼机器人关键技术
目录 引言 (4) 1.发展历史及现状 (5) 1.1国外发展历史现状 (5) 1.2国内发展历史现状 (9) 2.关键技术分析 (11) 2.1外骨骼机器人的结构设计 (11) 2.2外骨骼机器人驱动单元 (12) 2.3外骨骼机器人的控制策略 (13) 3.外骨骼机器人技术难点分析 (16) 4.前景展望 (18) 4.1 外骨骼机器人的研究方向 (18) 4.2外骨骼机器人技术的应用 (18)
引言 现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运沉重的负载等。虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力。与此同时，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完成的任务不受人的智能的约束，而仅受人的体能的限制。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是外骨骼机器人的设计思想。外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、控制、驱动、信息融合等机器人技术，使得外骨骼能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。本文通过介绍外骨骼机器人的发展历史及研究现状进一步分析了外骨骼机器人的关键技术，并对其技术难点以及发展前景作了说明，以期在全面认识外骨骼机器人基础上对其开展进一步深入研究。
《我设计的机器人》教学设计 教材分析： 想象力的培养是美术教育的一大特点，想象画是儿童把自己的经验和内心所想到的事物直率地表达出来的一种绘画形式，它能培养和训练学生的想象思维，让学生按照一定的范围，根据过去的经验和视觉印象，并通过创作活动组合成新的形象，是一个把形象思维转化为视觉形象的过程，具有展示纯真的儿童心灵世界的作用。机器人是现代人类的智慧结晶的产物，它的生产离不开想象和创造。本教材在编排上注意结合学生的生活经验，提供了三种机器人生活场景的主题图，揭示了在未来生活中机器人的重要性。 学生分析： 本课是让学生设计一个对人类有益的机器人，想象画是儿童喜欢的绘画题材之一，这节课以学生为主体，“请你来做设计师，你会设计一个怎样的机器人？”使学生感到自己是一个设计大师，有发明新产品的任务，想象的翅膀便会因此而打开。 设计理念： 《我设计的机器人》教学设计，改变了以往美术课单纯以学科知识传授技法的思路，在整个过程中，教师只是作为学生主动构建知识的帮助者、促进者，而不是知识的传授者、灌输者。重视对学生自主探究知识能力的培养，让学生保持高度的探索欲、尝试欲，并通过与实际生活的联系，更多地体验一种成就感，进一步激发他们强烈的创造欲望。提高了学生的创造能力和交流评说的综合能力，促进了学生自我个性形成和身心素质的全面发展。 教学设计
教学过程 一、查找资料，自主学习 布置学生以小组为单位，上网、报纸或书籍等查找有关机器人的资料。 教学意图：1、让学生通过自主学习查找资料，感受到学习的乐趣。 2、注重跨学科的学习。 二、激发兴趣，导入课题 师：同学们，在我们的现代社会中，有一种可以代替人们工作的智能机械，是什么？（机器人）你们知不知道机器人在生活中还可以帮我们做什么事情呢？把你知道的与大家分享。（小组讨论并汇报）（机器人可以帮我们排除险情、潜水打捞、科学实验等）从而揭示课题 教学意图：1、通过问题，激发学生的好奇心和求知欲望。 2、让学生把课前查找到的资料，互相交流，增进同学之间的友谊。 三、自主探索，合作交流 1、了解机器人的形状、颜色和功能 (课件展示)机器人说：“小朋友们你们好，我的本领可大了，你们想认识我吗？那你们要讲一讲我的形状和颜色？看谁讲得最棒。小朋友们，有没有信心？”（有）（学生讨论汇报） (课件展示)机器人说：“小朋友们非常聪明，你们知道吗？我是哈工大机器人研究所研发的集视觉、运动、避障、会眨眼睛和张嘴说话等功能于一身的新一代智能服务型机器人，本月中旬我将赴英国的一家博物馆担当“迎宾导游”。同学们都带来了自己最喜欢的机器人玩具，谁来说说自己的机器人是什么颜色和形状的？有什么作用？请同学们以讲故事的形式讲解机器人的特点，讲得好的同学我有精美的纪念品送给你。”（并板书形状和颜色）教学意图：学生和机器人交朋友，增加了学习的兴趣和气氛。 学生观察机器人后用语言叙述其特征，在记忆中留下丰富的视觉的形象，有助于进行创作。 培养了学生的语言表达能力及观察能力。 2、深入了解机器人对人类的帮助 师：把课本打开17页欣赏书上的小朋友是怎样设计机器人的？请同学们以小组为单位，互相说一说、议一议，你喜欢课本上的那幅作品，为什么？（学生小组讨论并汇报）（板书） 师：这些设计师真棒，如果请你来做设计师，你会设计一个什么样的机器人？（学生小组讨论并汇报）教学意图：引导学生深入探索，合作交流，深入了解机器人对人类的帮助，并从课本中机器人的形象，联想起从动画片、科普读物、连环画中见过的各种机器人，进行新一代机器人来。 四、放飞想象，自主创作 机器人说(课件展示)：“小设计师们想的这么好，那我们举办一个比赛活动：机器人设计大赛，把你们想得
电子科技大学 实验报告 学生姓名： 一、实验室名称：机电一体化实验室 二、实验项目名称：实验三SCARA 学号： 机器人的运动学分析 三、实验原理： 机器人正运动学所研究的内容是：给定机器人各关节的角度，计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。 各连杆变换矩阵相乘，可得到机器人末端执行器的位姿方程（正运动学方程） 为： n x o x a x p x 0T40T1 11T2 22T3 d3 n y o y a y p y （ 1-5）3T4 4= o z a z p z n z 0001 式 1-5 表示了 SCARA 手臂变换矩阵0 T4，它描述了末端连杆坐标系{4} 相对基坐标系 {0} 的位姿，是机械手运动分析和综合的基础。 式中： n x c1c2c4s1 s2 c4 c1 s2s4s1 c2 s4，n y s1c2 c4c1 s2 c4s1 s2 s4c1c2 s4 n z0 ， o x c1c2 s4s1 s2 s4 c1 s2 c4s1c2c4 o y s1c2 s4c1 s2 s4s1 s2 c4c1c2c4 o z0 ， a x0 ， a y0 ， a z1 p x c1 c2 l2s1s2l 2c1l 1， p y s1c2 l 2 c1 s2 l 2 s1l1， p z d3 机器人逆运动学研究的内容是：已知机器人末端的位置和姿态，求机器人对应于这个位置和姿态的全部关节角，以驱动关节上的电机，从而使手部的位姿符合要求。与机器人正运动学分析不同，逆问题的解是复杂的，而且具有多解性。
1）求关节 1： 1 A arctg 1 A 2 l 12 l 22 p x 2 p y 2 arctg p x 式中：A p x 2 ； p y 2l 1 p y 2 2）求关节 2： 2 r cos( 1 ) arctg ) l 1 r sin( 1 式中 ： r p x 2 p y 2 ；arctg p x p y 3). 求 关节变 量 d 3 令左右矩阵中的第三行第四个元素（3.4）相等，可得： d 3 p z 4). 求 关节变 量 θ 4 令左右矩阵中的第二行第一个元素（1.1,2.1 ）相等，即： sin 1 n x cos 1n y sin 2 cos 4 cos 2 sin 4 由上式可求得： 4 arctg ( sin 1 n x cos 1 n y )2 cos 1 n x sin 1 n y 四、实验目的： 1. 理解 SCARA 机器人运动学的 D-H 坐标系的建立方法； 2. 掌握 SCARA 机器人的运动学方程的建立； 3. 会运用方程求解运动学的正解和反解； （ 1-8） （ 1-9） （ 1-10 ）
本 科 毕 业 论 文（设 计） 题目（中文 学学 完 成 日 期 2017 年 3 月
摘要 当今世界，工业化日趋成熟，机器人被广泛的应用于各行各业，最常用到的有四自由度，六自由度机器人。其中，自动化水平较高的汽车制造业和电子装配业经常常常要使用到六自由度机器人。因此对其实施运动学分析，是进行科学设计的基础，也是降低机器人生产成本，优化机器人运动轨迹的前提。此外，运动分析过程有效的模拟了机器人运动的真实情况，有助于提供有效可行的优化方案。本文主要探讨六自由度机器人的运动分析，基于经典运动学以及动力学的研究方法概念，首先通过solidworks做出机械臂各部分零件的三维图，然后通过SolidWorks装配出六自由度机器人机械臂的三维模型。通过该模型，选取其中一个关节和底座，并用SolidWorks进行运动学分析，对六自由度机器人的运动学和动力学计算方法进行了仿真验证。最后得到六自由度机器人的其中一个自由度的运动仿真实例。通过对该运动仿真实例的分析，得出最佳优化方案，优化机器人的运动轨迹提高机器人的工作效率，降低机器人生产成本。 关键词：六自由度机器人；运动分析；运动学；动力学；
目录 摘要 ...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................... 错误！未定义书签。 1 绪论 (1) 1.1课题背景及研究的目的和意义 (1) 1.2机器人国内外发展现状及前景展望--------------------------1 2 六自由度机器人运动学分析 (3) 2.1六自由度机器人的结构-------------------------------------1 2.2运动学分析----------------------------------------------1 3 六自由度机器人动力学分析 (5) 3.1综述----------------------------------------------------3 3.2机器人动力学研究方法------------------------------------3 3.2.1几项假设-------------------------------------------3 3.2.2目标-----------------------------------------------4 3.2.3数学工具-------------------------------------------5 3.3动力学原理----------------------------------------------3 3.3.1动量矩定理---------------------------------------------------------------6 3.3.2能量守恒定理--------------------------------------6 3.3.3牛顿—欧拉方程------------------------------------7 3.3.4达朗贝尔原理--------------------------------------8 3.3.5拉格朗日方程--------------------------------------9 4 六自由度机器人运动分析 (8) 4.1运动分析的软件背景---------------------------------------3 4.2运用solidworks建立六度机器人机械臂三维模型--------------9 4.3运用Solidworks对进行运动学分析-------------------------4 5 结论 (14)
穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计 摘要:本文设计了一种用于下肢功能障碍患者康复治疗的外骨骼机器人。根据外骨骼机器人的功能与工作原理,分析了其结构组成与设计过程中的关键问题。并从仿生学角度为外骨骼机器人配置自由度,设定关节活动范围及连杆尺寸,对机械结构进行了初步分析与优化设计。为进一步的研究、分析、设计工作打下了基础。 关键词:外骨骼康复仿生机械结构 The Mechanical Design of Wearable Lower Extremity Exoskeleton Rehabilitation Robot Abstract:The exoskeleton robot, used for the lower extremity dysfunction in patients with rehabilitation, was designed. Based on its function and working principle, structure and composition and the key issues in design process were analyzed. And according to bionics, the degree of freedom, the range of motion and the link size were designed,the preliminary analysis and optimization design of mechanical structures were made. It is the foundation for research, the analysis, the design for the further. Key Words:Exoskeleton;Rehabilitation;Bionics;Mechanical structures
《智能控制与程序设计》-宝贝车机器人 课程报告 班级：电信学院13306 人员：王丽春 同组人员：陈天、刘棒锦 时间： 2015.11.14 指导教师：杨杰、汤博文 地点：工业中心3021
一、课程目的、任务及要求 1.1课程目的 ①通过训练，了解一个完整的、可以运动的机器人应由那几部分组成。理解每一个机器 人都是根据特定要求而设计的，设计的第一步就是将使用要求分析清楚，确定设计时需要考虑的参数，包括：机器人的运动路径、定位精度，重复定位精度、任务执行参数等。 ②了解目前机器人的能量供给的各种形式，掌握控制部分和执行部分的供电方式。 ③理解机器人的运动系统的构成及其原理。 ④了解机器人探测周边环境的传感器有那些，掌握传感器的信号如何传送给单片机的。 ⑤理解机器人是如何根据传感器的信息做出决策。 ⑥掌握机器人如何运动，并且了解机器人运动的其它方法。 ⑦理解机器人与用户交换信息的各种方法。 ⑧培养团队协作和独立工作能力。 1.2课程任务及要求 ③陈述清楚宝贝机器人如何实现运动。 ④掌握宝贝机器人的控制部分和运动部分的供电方式，并画出这两部分的电路示意图。 ⑤理清宝贝机器人的人机交互关系，陈述清楚宝贝机器人如何实现人机交互（通过串口调试软件实现人机交互）。 ⑥陈述清楚宝贝机器人有那些传感器，传感器的信息是如何传送到单片机的。 ⑦完成宝贝机器人的触觉导航，并陈述清楚其原理。 ⑧能在实验中迅速排除各种故障。 ⑨鼓励创新，在完成前八个任务的前提下，尽量能做出新的开发，如果现有硬件条件不 满足，可以陈述清楚创新原理。 二、课程准备 2.1 实验设备 硬件：PC机一台、AT89S52型单片机、机器人组件、ISP下载电缆、串口线、电池 软件：Keil uVision4 IDE集成开发环境、progisp172软件下载工具、串口调试软件2.2机器人的组装和软件的安装及初步应用 2.2.1组装宝贝车机器人 “宝贝车”是由许多部件组成的一款机器人，在使用及编程控制其运动之前，首先要进行组装，步骤如下： (1)安装机器人底盘硬件 零件列表：宝贝车底盘、螺柱、盘头螺钉、13/32英寸的橡胶圈 1.将13/32英寸的橡胶套圈插到宝贝车底盘中心的孔内，确保底盘中心孔的边缘嵌在 橡胶圈的凹槽中； 2.用4个螺钉将螺柱固定在底盘上。 (2)拆除伺服喉，将电机安装在底盘上 零件列表：宝贝车底盘（已部分组装好）、连续旋转电机、螺钉3/8英寸4-40、 螺母 4-40 1.用螺钉和螺母将电机固定在底盘上，为了最好性能，需从里面将电机放入底盘。由于