一种下肢外骨骼康复机器人优化的结构设计与 控制仿真分析 张玉叶１，张小栋２，江 城２，王 贺２，石强勇２ （１．咸阳师范学院物理与电子工程学院，陕西咸阳７１２０００；２． 西安交通大学机械与电子工程学院，陕西西安７１００４９） ＯｐｔｉｍｉｚｅｄＰｈｙｓｉｃａｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａＬｏｗｅｒ ｌｉｍｂＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓ’ ＲｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎＲｏｂｏｔ ZHANC Yu y e １，ZHANC Xiaodon g ２，JIANC Chen g ２，WANC He ２，SHI Q ian gy on g ２ （１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉａｎｙａｎｇＮｏｒｍａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ７１２０００，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ） 摘要： 越来越多的脑卒中患者使得理疗师的康复训练工作繁重且康复效果评估体系不完整，针对此现状，设计出一款优化的外骨骼康复机器人模型。介绍了该机器人优化的结构设计，并对其进行了相对应的控制策略分析， 进而提出一种控制方法并进行了仿真分析。仿真实验研究表明，所提出的控制策略在跟踪精度和速度上都具有明显的优势。 关键词：外骨骼机器人；下肢康复；结构设计；控制策略； 仿真分析中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：Ａ 文章编号：１００１ ２２５７（２０１５）０５００７７０４ 收稿日期：２０１５０１２２基金项目：西安交通大学国际科技合作项目（５１２７５３８８） ；咸阳师范学院教研基金项目（１３ＸＳＹＫ０１５） Abstract ：Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｓｔｒｏｋｅｐａ-ｔｉｅｎｔｓｌｅａｄｔｏｔｈｅｓｔｒｅｎｕｏｕｓｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｔｒａｉｎｉｎｇｔａｓｋｓｏｆｔｈｅｒａｐｉｓｔｓａｎｄｔｈｅｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅｒｅｈａｂｉｌｉｔａ-ｔｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ａｉｍｉｎｇａｔｓｕｃｈｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｏｕｒｔｅａｍｄｅｓｉｇｎａｎｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏ-ｂｏｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ．Ａｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｗａｓｔｈｅｒｅｆｏｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄａｎａ-ｌｙｚｅｄｖｉａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｈａｓｏｂｖｉｏｕｓａｄ-ｖａｎｔａｇｅｓｉｎｔｒａｃｋｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｓｐｅｅｄ．Ke y words ：ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓ’ｒｏｂｏｔ；ｌｏｗｅｒｌｉｍｂｓ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ；ｐｈｙｓｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ ０ 引言 康复医学理论和临床治疗证明，对患者进行由简单到复杂，由协助到监护，直至患者能够生活自理 的康复训练有非常重要的意义［ １］ 。基于康复机器人社会需求和科学价值，开发一款下肢外骨骼康复机器人，其结构设计已完成论证，结构设计简洁，自适应性强，已申请发明专利。在结构设计基础上，参考文献［２ ３］ ，对康复机器人的运动学以及动力学建模进行了研究，参考文献［４］，对下肢外骨骼康复机器人的自适应控制方法进行了研究，并进行二自由度仿真， 为课题的深入研究打下基础。１ 下肢外骨骼康复机器人机械结构设 计及运动学关系 设计的康复机器人总体结构如图１所示， 采用曲柄滑块机构驱动关节旋转， 电机采用混合式丝杆电机，最大推力为８００Ｎ，简化了设计结构，膝关节 平均驱动力矩为４０Ｎ·ｍ，髋关节平均驱动力矩为５０Ｎ·ｍ。电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，从而带动固定于丝杠螺母上的髋关节滑块移动，滑块移动带动髋关节推杆运动使得大腿杆摆动，实现关节角度规律变化。本文中轨迹控制的输入量是关节角度，以髋关节为例其运动学关系几何简图如图２所示，图中标注的尺寸单位为ｍｍ，定义大腿和小腿 · ７７·《机械与电子》２０１５（５）
人体下肢外骨骼机理分析 xx （xx,xxxx,xxxx） 摘要：本论文研究穿戴型下肢外骨骼机器人机构。所研究的外骨骼是一种可以穿戴于人体的机械装置。这种外骨骼依靠人的运动信息来控制机器人，通过机器人来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的远行、负重等任务。这种外骨骼也可以用来检测人体运动信息，作为康复医疗器械使用。下肢穿戴外骨骼机器人是一种具有双足步行特征的典型的人机一体化系统。 关键词：穿戴外骨骼；助力机器人；机构设计；仿真分析 ANALYSIS AND DESIGN OF LOWER EXTREMITY EXOSKELETON (Mechanical Manufacturing and Automation.,No.:xxxxxxxx,Email:xxxxxxxx@https://www.doczj.com/doc/ff7602518.html,, phone:xxxxxxxxxxx) Abstract：This paper researched a kind of wearable lower extremity exoskeleton robot. The exoskeleton is a mechanism which could match the human body. It relied on human motion information to control the robot, and accomplish the travel, loading and other tasks that can not be completed by people's own capacity lonely. The exoskeleton can also be used to detect human motion information, and as the rehabilitation of medical devices. Lower extremity exoskeleton robot is a kind of typically man-machine integrated system with some biped walking robots’ characters. Keywords：Wearable exoskeletons; Assist robot; Mechanical design; Simulation and Analyze 1引言（Introduction） 外骨骼是一种给人穿戴的人机一体化 智能机械装置，它将人类的智力和机械装置的“体力”结合在一起，靠人的智力来控制机械装置，通过机械装置来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的任务。下肢外骨骼是一种用来辅助人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的运动控制能力来控制机器人的行走，简化了自主行走式两足机器人最为常见的步态规划 和步态稳定性问题，同时它又为人类的行走提供动力协助，增强人类行走的能力和速度，特别是能够缓解人在大负重和长时间行走 情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人类的运动范围，能够增强个人在完成某些任务时的能力。人体下肢外骨骼作为单兵系统的一部分，起到了提高士兵承载能力的作用，避免了士兵由于沉重负荷而导致的身体机能 的下降，从而提高了士兵的抵抗能力，对最终提高士兵的战斗力和生存力起到了重要 作用。故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。 2人体外骨骼的研究背景（The background of exoskeletons） 人体下肢外骨骼机器人成为机器人领域的一个热门分支，已越来越受到学术界和工业界关注。目前，国外特别是美国、日本在这方面已经取得了巨大的进展，并逐步商业化，成为新兴产业。但国内仅有少数科研单位从事可穿戴助力机器人的研究，起步较晚，基本处在实验室试制阶段，离实用还有一定的距离。
外骨骼助力机器人研究现状与关键技术 分析 王庆江 深圳第二高级技工学校广东深圳 518000 摘要：运用比较传统的运载方法以及在工具受到多方面因素的制约，在比较复杂的地形条件之下，传统运载工具不能够很好的工作，而外骨骼助力机器人有效地解决了这个问题，是一个非常明显的突破。因此，在当前世界各地，外骨骼助力机器人的研究有着非常好的前景。本文从不同方面分析外骨骼助力机器人的发展状况，主要分析了外骨骼助力机器人所涉及到的关键技术，并且作出深入的研究。 关键词：外骨骼助力机器人；研究现状；关键技术外骨骼助力机器人是一种全新的现代化装置，这种机器人融合多种信息,控制系统传感系统集于一身,并且为穿戴人员控制好功能和任务。外骨骼助力机器人是一种前沿技术装备，受到多方的关注并且取得了突出的效果。在我国，外骨骼助力机器人研究借鉴先进技术，并且不断地创新，主要研究外骨骼助力机器人在我国国内的发展现状以及其关键技术分析。 1.在国内外，外骨骼助力机器人的研究现状分析 随着时代的进步以及科技的不断发展，最新型的材料和技术充分应用在外骨骼助力机器人的发明上，促使外骨骼助
力机器人得到很好的发展。在一些发达国家，对外骨骼助力机器人进行改良，并且不断创新，经过努力，在我国国内对于外骨骼助力机器人的发明和创新也取得了很明显的成效。下面将归纳分析目前为止国内外外骨骼助力机器人的研究状况。 1.1国外对于外骨骼助力机器人的研究状况分析 表1 国外对于外骨骼助力机器人的研究表 1.2我国国内对于外骨骼助力机器人的研究状况分析 表2 国内对于外骨骼助力机器人的研究表 2.外骨骼助力机器人关键技术分析 2.1驱动技术 2.1.1液压驱动 通过运用液压驱动能够在很大程度上帮助外骨骼助力
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/ff7602518.html, 综述
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全力满足教学需求，真实规划教学环节 最新全面教学资源，打造完美教学模式 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
引言 (5) 1.发展历史及现状 (6) 1.1国外发展历史现状 (6) 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 (12) 3.外骨骼机器人技术难点分析 (15) 4.前景展望 (17) 4.1 外骨骼机器人的研究方向 (17) 4.2外骨骼机器人技术的应用 (17)
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。
伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的机械学设计 Adam Zoss, H. Kazerooni, Andrew Chu Department of Mechanical Engineering University of California, Berkeley, CA, 94720, USA exo@https://www.doczj.com/doc/ff7602518.html,, https://www.doczj.com/doc/ff7602518.html, 摘要：第一种能携带负载的高效自主式下肢外骨骼已经在加州大学伯克利分校被展示出来。这篇文章概括了伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的机械学设计。基于拟人化的BLEEX每条腿有七个自由度，其中的四个由直线液压驱动器驱动。描述了自由度的选择以及运动范围。另外，文章还包含了BLEEX主要部件方面的重要设计。 关键词：BLEEX，外骨骼，可穿戴式机器人，机械设计，步行 Ⅰ.引言 重物通常由轮式交通工具运输。然而，很多环境例如岩石地形和阶梯，给轮式交通工具带来巨大的困难。因此，在这些环境中，步行就成为一种有吸引力的运输方式，因为腿能适应各种极端地形。伯克利下肢外骨骼（通常称为BLEEX）是第一款由操纵者穿戴的野战用机器人系统，它能为其操纵者提供在任何类型的地形下付出极小努力背负载荷的能力。 BLEEX是由两个动力拟人的腿、一个电源和一个可安装各种重载的背包式框架组成（图1）。BLEEX通过人机交互引导腿的运动提供携带负载的能力，摒弃了主动驱动，BLEEX伴随操纵者的运动就像它是一对人工腿一样被他/她“穿戴”。通过将机器人的力量与智能导航、人的适应能力相结合，BLEEX允许重物在崎岖、松散和未知的地形中运送。 外骨骼通常指包含上肢或下肢或两者兼备的系统。BLEEX项目仅仅着眼于 图1下肢外骨骼的概念图。正确活动的机器腿从穿戴者身上转移走载荷 的重量，同时使穿戴者能够轻松地控制和平衡机器。
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 ...................................................................................................................... 1..1 . 2.1外骨骼机器人的结构设计..................................................................................... 1..1... 2.2外骨骼机器人驱动单元.......................................................................................... 1..2... 2.3外骨骼机器人的控制策略..................................................................................... 1.. 3... 3............................................................................................................ 外骨骼机器人技术难点分析................................................................................................................. 1..6... 4............................................................................................................ 前景展望 ........................................................................................................................................................ 1..8 . 4.1外骨骼机器人的研究方向..................................................................................... 1..8... 4.2外骨骼机器人技术的应用 .................................................................................. 1...8..
外骨骼技术研制始于1960 年代的美国，最早的研究成果是美国通用公司研发的Hardiman 外骨骼系统，其主要采用电机驱动控制，可以轻易举起重物。 1978 年，美国麻省理工学院研究出“被动式外骨骼助力机器人”。MIT的外骨骼下肢助力机器人能够在负载36公斤的情况下行走1m/s，其中80%的负重被传递到地面上。它的关节自由度配置包括髋关节有3 个自由度，膝关节 1 个自由度。穿戴者与机器人在肩膀、腕关节、大腿和脚部连接，机器人总重量是11.7Kg。驱动方式不采用电力驱动，只利用弹簧储能和变阻尼器驱动关节驱动。髋关节伸/屈运动时，伸运动时弹簧释放能量，屈运动时弹簧储存能量，膝关节利用磁流变阻尼器，踝关节利用碳纤维弹簧缓冲脚后跟对地面的冲力。传感器系统是由安装在外骨骼下肢助力机器人外壳的应变桥式应变片传感器和安装在膝关
节的电位计组成。 2004年，伯克利分校研制出的下肢外骨骼机器人BLEEX是DARPA项目的第一台带移动电源和能够负重的下肢外骨骼机器人。BLEEX由--个用于负重的背包式外架、两条动力驱动的仿生金属腿及相应动力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪作为液压泵的能量来源，以全面增强人体机能。BLEEX的每条腿具有7个自由度(髋关节3个，膝关节1个，踝关节3个)，在该装置中总共有40多个传感器以及液压驱动器，它们组成了一个类似人类神经系统的局域网。BLEEX的负重量能达至75kg，并以0．9m／s的速度行走，在没有负重的情况下，能以1．3m／s的速度行走。
目前，洛克希德·马丁公司和伯克利分校共同研制了新一代外骨骼机器人HULC 。这款新型外骨骼继承了BLEEX 的优点，对一些液压传动装置和结构进行了优化设计，不但能够直立行进，还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作，穿上HULC 后能够明显降低人体对氧气的消耗量。在一次充满电后，HULC 可保证穿着者以4．8km ／h 的速度背负90kg 重物持续行进一个小时。而穿着HULC 的冲刺速度则可达到16km ／h 。HULC 穿戴起来也非常方便，士兵只需将腿伸进靴子下方的足床，然后用皮带绑住腿部、腰部以及肩部即可，完全脱下需30秒的时间。
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。
硕士学位论文 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）
国内图书分类号：TP242.6 学校代码：10213国际图书分类号：621 密级：公开 工程硕士学位论文 下肢助力外骨骼机构设计与研究
Classified Index: TP242.6 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH AND MECHANISM DESIGN OF LOWER LIMB POWER EXOSKELETONS
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 0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
1 绪论 1.1 研究背景与意义 在急速发展的现代社会，人们通常都会使用轮式交通工具运载沉重物体，但在实际生活中，有许多地方道路凹凸不平，轮式交通工具难以行进，由于人腿能适应较复杂路况的优点，使得行走助力装置应运而生[1]。它是一种可以辅助人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的智能来控制机器人的行走，简化了自主行走式两机器人最为常见的步态规划和步态稳定性问题，同时它又可以提供动力协助人的行走，增强人们行走的能力和速度，缓解人在大负重和长时间行走情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人们的运动范围，故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。在一些交通已经过于拥堵的城市，下肢步行外骨骼还可以作为一种新型的轻型环保交通工具，可以大大减少城市汽车流量，降低市区的堵车情况，减少城市的汽车尾气污染，减缓城市的停车压力，同时使用者还可以达到锻炼身体的目的[2]。 目前，行走助力装置主要应用于两方面：（1）用于负重、长距离行走时进行助力（2）用于老年人或下肢瘫痪者行走时进行助力。行走助力装置的发展借鉴了腿式机器人、仿人机器人的技术和经验，又在结构、控制能力等方面做了深入的研究，经过不断的努力，现已开发出几类行走助力装置，并对相关技术做了深入的探讨，取得了一定的成果。 随着社会的发展和生活水平的提高，人们对医疗水平的期望值也越来越高。而医疗水平的提高自然依仗医疗器械的更新和改善。对于下肢受伤或有关节肌肉病患的病人来说，克服伤病需要借助适当的医疗器械帮助下肢逐渐恢复正常机能。本文所介绍的正是出于此种目的，由多缸并联的气动步行助力器。 1.2 国际上下肢外骨骼的研究现状 1.2.1 德国奥托博克(ottobock)的C-LEG智能仿生腿 德国OTTOBOCK公司的最新产品智能仿生腿（C-LEG）是世界上第一个完全由电脑控制步态的假肢膝关节系统，能使配戴者稳定牢固的控制下肢运动。智能仿生腿有两个电子传感器：一个位于小腿管中，分别测取脚跟踏地和脚前掌的压力，为假肢支撑期的稳定性控制提供信息。一个位于膝关节的支撑框架中，测量膝关节屈度和膝关节摆动速度的变化，为假肢摆动后期的活动性控制提供信息。这两个传感器可将假肢的运动状态以每秒50次的采样频率向电脑提供测定值。微处理器可以瞬间识别使用者的假肢状态。同时，微处理器将所得信号进行加工处理，通过伺服电机控制膝关节液压系统。整个反馈过程是真正意义因人而宜的调整。完全个性化的分析，服务，为患者提供更多的舒适性，活动性和生活乐趣。
２０１８年１１月 第４６卷第２１期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ ２０１８ Ｖｏｌ ４６Ｎｏ ２１ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ ２１ ０１５ 收稿日期：２０１７－０６－２０ 作者简介：石晓博（１９９１ ），男，硕士研究生，主要研究方向为下肢外骨骼康复机器人步态规划研究三Ｅ－ｍａｉｌ：５４７３６３９９２＠ ｑｑ ｃｏｍ三 通信作者：郭士杰，Ｅ－ｍａｉｌ：３０８６８１９８２＠ｑｑ ｃｏｍ三 发展中的外骨骼机器人及其关键技术 石晓博，郭士杰，李军强，赵海文 （河北工业大学机械工程学院，天津３００１３０） 摘要：外骨骼助力机器人是一种可穿戴的机械装置，应用人机工程学二仿生学等相关知识将人的智力和机器人的体力完美地结合在了一起，拥有巨大的发展潜力三为了更好地了解外骨骼助力机器人的发展成果及现阶段存在的问题，现将其发展分为蒸汽时代二电气时代二信息时代三大部分进行介绍，并从机械结构技术二驱动技术二控制技术二人机交互技术以及安全性技术等外骨骼助力机器人关键技术入手，找出现阶段面临的问题，并指明未来的发展方向三 关键词：外骨骼；关键技术；助力机器人；科技时代 中图分类号：ＴＰ２４一一文献标志码：Ａ一一文章编号：１００１－３８８１（２０１８）２１－０７０－７ ＤｅｖｅｌｏｐｉｎｇＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＲｏｂｏｔｓａｎｄＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＳＨＩＸｉａｏｂｏ，ＧＵＯＳｈｉｊｉｅ，ＬＩＪｕｎｑｉａｎｇ，ＺＨＡＯＨａｉｗｅｎ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｐｏｗｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓａｋｉｎｄｏｆｗｅａｒａｂｌｅａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔｓ，ａｐｐｌｉｅｄｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ，ｂｉｏｎｉｃｓａｎｄｏｔｈｅｒｒｅｌａｔｅｄ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅｔｏｐｅｒｓｏｎ ｓｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄｒｏｂｏｔｐｈｙｓｉｃａｌｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｔｏｇｅｔｈｅｒ，ｈａｓｈｕｇｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｏｔｅｎｔｉａｌ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｅｔｔｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｔｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｇｅ，ｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｔｅａｍ ａｇｅ，ｔｈｅａｇｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｇｅｏｆｔｈｒｅｅｍａｉｎｐａｒｔｓ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄｓｔａｒｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｄｒｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｈｕｍａｎ?ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｓｅｃｕｒｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｓｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓｐｏｗｅｒｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｃｏｎｆｒｏｎｔｅｄａｒｅｆｏｕｎｄ，ａｎｄｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ；Ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ａｓｓｉｓｔｅｄｒｏｂｏｔ；Ｅｒａｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ０一前言 外骨骼（Ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ）这一名词来源于生物学中昆虫和壳类动物的坚硬外壳，其作用在于支撑二运动二防护三项功能紧密结合［１］三与此对应，外骨骼助力机器人是模仿生物界外骨骼而提出的一种新型机电一体化装置 ［２］ ，结合机械结构二控制二驱动方式二人 机交互等关键技术，在为穿戴者提供诸如保护二协同动作等功能的基础上，还能够在穿戴者的控制下完成人类自身无法完成的任务三 文中将外骨骼助力机器人的发展分为３个阶段，即蒸汽时代二电气时代二信息时代三通过介绍每个时代外骨骼主力机器人的发展情况，从而指出现阶段存在的问题，然后从外骨骼助力机器人相关关键技术入手，从根本上分析出现问题的原因，并寻求高效的解决方案三 １一外骨骼助力机器人的发展 外骨骼助力机器人从出现到发展至今，大概分为 ３个阶段，即蒸汽时代二电气时代二信息时代三 １ １一蒸汽时代 １９世纪中后期，人类完成了第一次技术革命， 开启了以蒸汽机代替人力的时代三人类萌生了用蒸汽机驱动人体运动的想法，但由于蒸汽机存在体积过大二容易烫伤等缺点，同时受材料匮乏二工艺落后的 制约，使这一时期的外骨骼仅仅停留在概念设计上三如１８３０年英国著名插画师ＲｏｂｅｒｔＳＥＹＭＯＵＲ所绘的‘ＷａｌｋｉｎｇＢｙＳｔｅａｍ“中提到的穿戴在人体上的蒸汽机行走机，如图１所示三这一阶段提出的外骨骼由于技术发展的限制没有实际应用的价值，但还是为后来的外骨骼设计拓宽了思路三
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
外骨骼机器人研究发 展综
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 (5) 1.发展历史及现状 (6) 1.1国外发展历史现状 (6) 1.2国内发展历史现状 (10) 2.关键技术分析 (12) 2.1外骨骼机器人的结构设计 (12) 2.2外骨骼机器人驱动单元 (13) 2.3外骨骼机器人的控制策略 (14) 3.外骨骼机器人技术难点分析 (17) 4.前景展望 (19) 4.1 外骨骼机器人的研究方向 (19) 4.2外骨骼机器人技术的应用 (19)
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。