下肢外骨骼康复机器人的动力学建模及神经网络辨识仿真

2022年第46卷第12期Journal of Mechanical Transmission下肢外骨骼康复机器人动力学仿真与分析马晓君1刘玉阳1贾秋生2刘德胜3刘训报1袁铭润3（1佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯154007）（2哈尔滨轴承集团公司，黑龙江哈尔滨150002）（3佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯154007）摘要下肢外骨骼康复机器人可以有效提高下肢运动功能受损患者的康复效率，减轻康复医师的工作量。

设计了一款气动肌肉驱动的下肢外骨骼康复机器人。

为探究外骨骼机器人运动状态和各关节运动机理之间的关系，采用拉格朗日方程对下肢外骨骼进行动力学建模，将建立好的虚拟样机模型导入Adams中进行动力学仿真，得到下肢外骨骼康复机器人在不同运动状态下各关节在运动过程中转矩的变化情况，对仿真数据进行分析，验证了数据的正确性，为下一步实物样机制作及驱动器的选择提供了理论依据。

关键词外骨骼机器人拉格朗日方程动力学仿真虚拟样机Simulation and Analysis of Dynamics of Lower Limb Exoskeleton Rehabilitation Robots Ma Xiaojun1Liu Yuyang1Jia Qiusheng2Liu Desheng3Liu Xunbao1Yuan Mingrun3（1School of Mechanical Engineering,Jiamusi University,Jiamusi154007,China）(2Harbin Bearing Group Corporation,Harbin150002,China)（3School of Information and Electronic Technology,Jiamusi University,Jiamusi154007,China）Abstract A lower limb exoskeleton rehabilitation robot can effectively improve the rehabilitation efficien⁃cy of patients with impaired lower limb motor function and reduce the workload of rehabilitation physicians. Therefore,a lower limb exoskeleton rehabilitation robot is designed,the relationship between the motion state of the exoskeleton robot and the motion mechanism of each joint is explored,the Lagrange equation to model the dynamics of the lower limb exoskeleton is used and the established virtual prototype model into Adams for dy⁃namic simulation is imported.Further,the torque changes of each joint of the lower limb exoskeleton rehabilita⁃tion robot in different motion states are obtained.The data are analyzed to verify the correctness of the data, which provides a theoretical basis for the next step of the physical prototype fabrication and the selection of the actuator.Key words Exoskeleton robot Lagrangian equation Dynamics simulation Virtual prototype0引言现如今，由于脑卒中、车祸或其他原因引起身体运动功能受损的人口数量在不断增加，从事有关康复训练的专业人员严重不足，因此，开发一种能够代替康复医师工作的机器人成为当下一个研究热点[1]。

人体下肢外骨骼康复机器人的仿真分析夏田;桓茜;陈宇;徐建林【期刊名称】《陕西科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(034)006【摘要】The kind of device of human lower limb exoskeleton rehabilitation robot is a kind of service robot ,w hich is designed to be used for assisting the life of old people and sufferer , based on the motor drive .By establishing the D‐H mathematical model of human walking posture ,the coordinate equations of hip joint ,knee joint and ankle joint are derived .Under the ADAMS environment ,the simulation results show that the joint s of the lower limb exo‐skeleton have a continuous trajectory in space , w hich can meet the motility of the joint movement ,and meet the motion characteristics of the human lower limb .A prototype test platform is set up to test the angle curve which changes with the cycle .The motion trajectory of the lower limb exoskeleton is verified ,and the experimental curves and the simulation curves are basically consistent .%采用电机驱动方式，设计出一种用于辅助老年人和患者生活的服务型机器人———人体下肢外骨骼康复机器人，通过建立人体行走姿态时的D‐H数学模型，推导出了髋关节、膝关节和踝关节行走姿态中的坐标方程。

下肢外骨骼运动康复机器人的动力学分析与仿真
王长剑;赵一平
【期刊名称】《淮北师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】通过对正常人体的步态数据进行分析,提出一种下肢外骨骼机器人的鲁棒自适应PD控制策略,首先运用NOKOV三维红外捕捉系统收集正常人体步态信息,然后运用拉格朗日法分别建立单脚支撑和双脚支撑动力学模型,再根据构建的模型选取适应的控制器,最后通过MATLAB仿真验证设计的控制方式的稳定性与数据的正确性。

设计的机器人髋关节和膝关节都能快速跟随到期望角度,同时通过相似函数验证机器人的运动轨迹与人体运动轨迹高度相似,表明机器人具有良好舒适性,也验证数据正确性。

说明提出的控制方法是有效的,可为后续驱动源的选择等提供参考,有助于受伤运动员进行康复运动。

【总页数】8页(P74-81)
【作者】王长剑;赵一平
【作者单位】淮北理工学院体育教学部;淮北师范大学体育学院
【正文语种】中文
【中图分类】G818.3
【相关文献】
1.人体下肢外骨骼康复机器人的动力学分析与研究
2.下肢外骨骼康复机器人的动力学建模及神经网络辨识仿真
3.下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真
4.外骨骼
型下肢康复机器人结构设计与动力学分析5.脑卒中患者下肢外骨骼康复机器人步态规划与运动学仿真
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坐卧式下肢康复机器人机构设计及人机系统动力学模型辨识的开题报告第一部分：选题背景及研究意义坐卧式下肢康复机器人已经广泛应用于临床，可以有效地辅助患者进行下肢康复训练。

机器人的机构设计和控制系统对于机器人的性能和康复效果起着至关重要的作用。

因此，对机器人机构进行优化设计和人机系统动力学模型辨识的研究具有重要的理论和实践意义。

本文旨在通过研究坐卧式下肢康复机器人机构设计和人机系统动力学模型辨识，探讨机器人机构设计和控制系统的优化方法，提高机器人的康复训练效果，促进机器人在临床康复领域的应用。

第二部分：研究内容及方法本文将围绕以下研究内容进行深入探讨：1. 坐卧式下肢康复机器人机构设计：对机器人机构进行优化设计和性能分析，包括机器人关节的结构形式和参数选取、机器人运动学分析和仿真等。

2. 人机系统动力学模型辨识：通过对机器人康复训练系统进行力学建模和数据采集分析，辨识机器人的动力学模型，包括关节刚度、惯性、摩擦等参数。

3. 坐卧式下肢康复机器人控制方法研究：针对机器人的运动特性和关节的受控对象，设计控制算法，实现对机器人的自适应、精准和安全的控制。

本文主要采用以下研究方法：1. 理论分析法：通过对机器人运动学、动力学、控制理论等进行理论分析，设计机器人的控制算法和优化机构结构。

2. 数值仿真法：采用MATLAB/Simulink等软件进行数值仿真分析，模拟机器人康复训练过程中的运动状态和关节反应，并且实现模型辨识和控制算法的有效性验证。

3. 实验研究法：设计实验平台，进行机器人康复训练实验，采集实验数据，分析算法的有效性和机器人康复训练效果。

第三部分：预期目标通过本文的研究，期望实现以下目标：1. 设计优化坐卧式下肢康复机器人的机构结构，提高机器人的运动灵活性和稳定性。

2. 辨识坐卧式下肢康复机器人的关节动力学模型，提高机器人的运动精度和控制效果。

3. 实现坐卧式下肢康复机器人的自适应、精准和安全的控制，提高机器人康复训练的效果和适应性。

Internal Combustion Engine &Parts图1单足支撑期七杆结构建模模型0引言外骨骼机器人是一种人机一体化的装置，能够穿戴在人们的身上，帮助人们实现防护、支撑以及运动的功能。

将外骨骼机器人穿戴在士兵身上，能够有效提高其越障能力和承载能力，促使士兵单兵作战力有效提高。

目前，国内外相关专家在对下肢外骨骼机器人建模当中忽略了踝关节的重要作用，因此，本文结合以往的研究数据，优化下肢的动力学建模方法，通过研究人体的下肢步态与自由度，实现动力学分析，并实现结构的设计，进而仿真验证。

1人体下肢动力学建模人类行走的运动是一个相应步态周期，即单足支撑期→双足支撑期→单足支撑期，在总支撑期中，单足支撑期占到步态周期约40%，而双足支撑期占到步态周期约60%。

以往研究当中在对人体的下肢建立模型中，属于五杆机构，但是忽略了踝关节，本文结合踝关节的重要作用，将其优化为七杆结构。

1.1单足支撑期动力学建模针对简化后的七杆结构模型，通过方法对比，适合选择牛顿—欧拉法进行建模。

建模当中坐标系其相应定义与各个杆件实际参数可见图1，其中D-H 相应连杆的扭转角可见表1。

通过对相应杆的质心进行设定，可得到极坐标中相应位置向量，并能求出相应杆的质心与坐标系其原点之间的实际距离。

针对相应公式进行二阶导数的求导，能够获得相应杆质心具体的加速度。

进而得出相应杆的实际角速度与角加速度。

若设定相应杆为i 杆，则其受力分析如图1。

1.2双足支撑期动力学建模结合双足支撑期实际简化得到的连杆模型（如图2），此时的坐标系定义和杆件具体参数可参考单足支撑期相应定义方法。

在双足支撑期相应第一杆到第六杆方程和单足支撑期相应方程是一样的，只需结合相应科学原理与相关数据对第七杆的方程进行确定即可。

通过相应方程就能够得到相应杆实际力矩和与之存在联系的相应力。

之后，按照依次向前的顺序实现各个关节力矩和关节力的科学推导[1]。

下肢外骨骼机器人动力学分析及设计姜璐;王宇克（河南科技大学车辆与交通工程学院，洛阳471003）摘要:目前我国军事在单兵装备方面不断增加与升级，同时士兵自身负担也在不断加重，运动也不再灵活，在身体机能与抵抗力不断降低的基础上，士兵难以以充足的战斗力参与到战争当中。

下肢康复训练机器人腰部机构建模与运动学仿真研究
下肢康复训练机器人是一种通过运动康复治疗的机器人。

为了保证机器人的运动安全和康复效果，需要进行腰部机构建模以及运动学仿真研究。

腰部机构建模是指对机器人的腰部结构进行建模，并确定机器人腰部各个部分的运动学参数。

对于下肢康复训练机器人，腰部结构包括：腰椎、骨盆、脊柱等部分。

这些部分的运动学参数将决定机器人的具体动作方式以及康复效果。

因此，在机器人设计的初期，需要对腰部结构进行详细的建模分析，以保证机器人的运动安全和康复效果。

运动学仿真研究是指通过计算机模拟的方式来分析机器人腰部的运动学行为。

这种方法可以有效地降低机器人设计的成本和风险，并且可以提高机器人运动学参数的精度和准确性。

通过仿真研究，可以调整机器人的设计参数，使其更符合康复需求。

在进行下肢康复训练机器人腰部机构建模与运动学仿真研究时，需要注意以下几点：
1. 建模过程中需要考虑运动学参数的准确性和实际性，避免出现误差。

2. 仿真分析时，需要对仿真过程的计算精度进行合理的控制，以避免出现对机器人腰部运动学参数和运动行为的误判。

3. 需要在仿真分析的基础上，结合康复需求，对机器人腰部设
计参数进行优化。

这样可以在保证机器人运动安全的前提下，提高机器人的康复效果。

通过对下肢康复训练机器人腰部机构建模与运动学仿真研究，可以提高机器人的康复效果和运动安全性，为下肢康复训练机器人的研发提供技术支持。

下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真一、本文概述随着医疗科技的快速发展，下肢康复外骨骼机器人作为一种新型康复设备，正日益受到研究者和医疗工作者的关注。

本文旨在对下肢康复外骨骼机器人的动力学特性进行深入分析，并通过仿真实验验证其理论分析的准确性。

文章首先介绍了下肢康复外骨骼机器人的研究背景和应用意义，阐述了其动力学分析的重要性。

随后，本文详细阐述了下肢康复外骨骼机器人的动力学建模过程，包括机器人的运动学模型、动力学模型以及控制模型的建立。

在建模过程中，考虑了机器人的结构特点、运动规律以及人机交互等因素，确保了模型的准确性和实用性。

在完成动力学建模后，本文利用仿真软件对下肢康复外骨骼机器人的动力学特性进行了仿真实验。

仿真实验包括了机器人在不同运动状态下的动力学响应、人机交互过程中的力传递特性以及控制策略的有效性等方面。

通过仿真实验，本文验证了动力学模型的正确性，并为后续的实物实验提供了理论支持。

本文总结了下肢康复外骨骼机器人动力学分析及仿真的主要研究成果，并指出了未来研究方向。

通过本文的研究，不仅有助于深入理解下肢康复外骨骼机器人的动力学特性，还为优化机器人设计、提高康复效果以及推动医疗康复领域的发展提供了有益的参考。

二、下肢康复外骨骼机器人概述下肢康复外骨骼机器人是一种辅助人体下肢运动，帮助进行康复训练的先进医疗设备。

这种机器人通过精密的机械结构和智能控制系统，能够实时地感知并适应穿戴者的运动意图，提供必要的助力或阻力，以达到改善运动功能、增强肌肉力量、促进神经恢复等康复目标。

下肢康复外骨骼机器人通常由支架、传感器、执行器、控制系统等部分组成。

支架负责支撑和保护穿戴者的下肢，同时提供运动的轨迹和范围。

传感器则负责实时感知穿戴者的运动状态、肌肉力量、姿态等信息，为控制系统提供决策依据。

执行器则根据控制系统的指令，驱动机械结构产生相应的动作，提供助力或阻力。

在动力学分析方面，下肢康复外骨骼机器人需要考虑穿戴者的运动学特性和动力学特性，以及机器人自身的机械特性、控制特性等因素。