携行式外骨骼下肢运动学分析与仿真

下肢外骨骼仿生驱动器的设计与仿真丁志远;韩亚丽;杨军;周伟杰;吴振宇【摘要】提出了一种新型仿生驱动器设计方案,用于下肢外骨骼的刚性驱动和柔性驱动模式切换,模拟人体步行过程中下肢肌肉的工作特性.首先,基于仿生特性和助力需求,设计驱动器对应的机械结构,同时介绍了驱动器工作模式;对驱动器进行动力学建模,分析不同的系统参数对系统的影响;最后,建立虚拟样机模型,利用ADAMS进行运动学仿真,仿真结果表明驱动器能够实现人体运动有效助力,验证了模型的合理性.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2019(032)004【总页数】5页(P82-85,95)【关键词】仿生驱动器;下肢外骨骼;动力学建模;虚拟样机仿真【作者】丁志远;韩亚丽;杨军;周伟杰;吴振宇【作者单位】南京工程学院机械工程学院,江苏南京 211167;南京工程学院机械工程学院,江苏南京 211167;南京工程学院机械工程学院,江苏南京 211167;南京工程学院机械工程学院,江苏南京 211167;南京工程学院机械工程学院,江苏南京211167【正文语种】中文【中图分类】TH390 引言下肢外骨骼机器人是一种为使用者提供助力的可穿戴的人机一体化机械机构。

人口老龄化的加剧和医疗康复需求的不断增加，使得下肢助力外骨骼逐渐成为了当下研究热点之一。

传统的助力外骨骼多采用液压缸和大电机驱动，体积、重量大且因多为刚性结构，易对康复人员造成二次伤害，目前国内外关于外骨骼的研究对仿生驱动器的关注度逐渐提升。

瑞士联邦理工学院的Amir Jafari提出一种新型变刚度执行机构AwAS-II[2]，当调节顺应元件在杠杆臂上的位置时，AwAS-II会改变杠杆枢轴点的位置，也可以在更大范围内(从零到无穷大)改变刚度。

这使得AwAS-II的设置更加紧凑和轻便，并提高了刚度调节响应。

印度理工学院(IIT)的Nikolaos Tsagarakis提出了另一种变刚度机构，在新型线性弹簧结构的基础上，采用旋转型弹簧模块[5]，成功将高性能结构小型化。

２０１８年８月第４６卷第１５期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＡｕｇ ２０１８Ｖｏｌ ４６Ｎｏ １５ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ １５ ００３收稿日期：２０１７－０３－２３基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（５１５０５２６３）；山东省科技发展计划资助项目（２０１４ＧＧＸ１０３００７）；山东省高等学校科技计划项目（Ｊ１５ＬＢ０８）作者简介：吴俊杰（１９９２ ），男，硕士研究生，研究方向为外骨骼机器人建模㊁仿真与优化㊂Ｅ－ｍａｉｌ：９６１４５１６７３＠ｑｑ ｃｏｍ㊂通信作者：赵彦峻，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｙｊ６２７０１１０＠１６３ ｃｏｍ㊂一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真吴俊杰１，赵彦峻１，张忠东１，乔学昱１，张健２（１．山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０４９；２．苏州纽威阀门股份有限公司，江苏苏州２１５０００）摘要：设计了一种非拟人型下肢外骨骼，主要是由座椅㊁髋关节㊁大腿部结构㊁膝关节㊁小腿部结构㊁踝关节和鞋子依次串联而成，采用电机驱动㊂对下肢外骨骼进行了自由度分配与结构分析，根据坐标变换，运用Ｄ⁃Ｈ法建立下肢外骨骼的运动学模型㊂建立了下肢外骨骼虚拟样机模型，利用多体动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ进行运动学仿真㊂仿真结果验证了理论模型的合理性，为后期进一步研究外骨骼提供了依据㊂关键词：下肢外骨骼；运动学分析；Ｄ⁃Ｈ法；仿真中图分类号：ＴＰ２４２㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１８）１５－０１２－４ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａＮｅｗＴｙｐｅｏｆＰｏｗｅｒＡｓｓｉｓｔｅｄＰｏｒｔａｂｌｅＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｆｏｒＬｏｗｅｒＬｉｍｂｓＷＵＪｕｎｊｉｅ１，ＺＨＡＯＹａｎｊｕｎ１，ＺＨＡＮＧＺｈｏｎｇｄｏｎｇ１，ＱＩＡＯＸｕｅｙｕ１，ＺＨＡＮＧＪｉａｎ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＺｉｂｏＳｈａｎｄｏｎｇ２５５０４９，Ｃｈｉｎａ；２．ＮｅｗａｙＶａｌｖｅ（Ｓｕｚｈｏｕ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，ＳｕｚｈｏｕＪｉａｎｇｓｕ２１５０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｏｎ⁃ａｎｔｈｒｏｐｏｍｏｒｐｈｉｃｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｒｏｂｏｔｄｅｓｉｇｎｅｄｉｓｍａｉｎｌｙｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅｌｙｗｉｒｅｄｉｎｓｅｒｉｅｓｂｙａｓｅａｔ，ａｈｉｐｊｏｉｎｔ，ａｔｈｉｇｈ，ａｋｎｅｅｊｏｉｎｔ，ａｌｅｇ，ａｎａｎｋｌｅａｎｄａｓｈｏｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｄｒｉｖｅｎｂｙａｎｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｉｔｓｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍｗｅｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅＤ⁃Ｈｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ．Ｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍｏｄｅｌｏｆｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｋｉ⁃ｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｕｓｉｎｇｍｕｌｔｉ⁃ｂｏｄｙｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅＡＤＡＭＳ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｒａｔｉｏｎ⁃ａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈｌａｉｄｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｌａｔｅｒｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ；Ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；Ｄ⁃Ｈｍｅｔｈｏｄ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ０㊀前言下肢残疾及老龄化人口的数量急增，给社会㊁家庭和个人生活带来巨大困难，康复训练与老龄人行走问题成了社会需要解决的一大难题㊂下肢外骨骼能够帮助人类解决这个问题，它可以辅助老年人行走，给他们的日常生活带来极大的方便［１］㊂人体下肢外骨骼能够将机器强大的机械能量与人类智能结合起来［２］㊂目前，下肢外骨骼主要运用于军事，例如ＢＬＥＥＸ系列［３］，也有应用于医疗，例如ＨＡＬ系列［４］㊂针对辅助人体行走等问题，设计了一种下肢外骨骼，如图１所示，采用了非拟人型结构设计，与人体无直接绑缚连接，髋关节采用电机驱动，膝关节和踝关节为阻尼装置驱动㊂它可以帮助分担人体质量，有效增强人体的机能，不仅可以用于帮助中老年人行走㊁辅助残疾人行走，还可以应用于某些需要长时间站立㊁行走的工作，以缓解疲劳，提高工作效率㊂图１㊀下肢外骨骼１㊀结构设计１ １㊀自由度分配在研究人体下肢系统的基础上，设置下肢外骨骼双腿具有１２个自由度㊂即每条腿的髋关节保留了屈／伸和外展／内收２个自由度，膝关节仅保留了屈／伸１个自由度，而踝关节保留了屈／伸㊁背屈和跖屈３个自由度㊂鞋子可以弯曲㊂１ ２㊀机械结构设计在设计外骨骼时考虑了身材的兼容性，外骨骼的机械结构可调节其长度，因此其大腿杆㊁小腿杆应预留一定的调整范围［５］㊂根据ＧＢ１００００⁃１９８８‘中国成年人人体尺寸“中测量数据进行设定，采用身高１７００ｍｍ，体重６０ｋｇ为标准，大腿杆的平均长度为４６５ｍｍ，小腿杆的平均长度３６９ｍｍ，以此数据设计外骨骼结构㊂１ ２ １㊀踝关节设计人体踝关节是小腿和脚的连接处，有３个转动自由度，是一处比较关键和灵活的关节也是承受身体质量最多的关节㊂为了使外骨骼更加符合人体工程学，踝关节采用球铰链接，保留了全部自由度，既可以承受较大负荷，也可以实现３维转动㊂同时，考虑到人体脚踝的脆弱性和踝关节转动角度范围，对其进行保护限位，当球铰上部绕球心转动到一定角度时会与鞋子上的安装孔发生干涉，从而起到角度限位作用㊂为了保证踝关节的柔性连接，增加了圆柱压缩弹簧，可以起到储存能量㊁自动回位及缓冲的作用，如图２所示㊂图２㊀踝关节结构１ ２ ２㊀髋关节设计髋关节保留了两个转动自由度㊂由于外骨骼穿戴图３㊀行星齿轮传动简图时置于两腿之间，在该位置，无法直接设计出实际的外骨骼髋关节㊂因此，采用如图３所示的行星轮传动机构，将电机安装在大腿板上，通过半偏轴与小齿轮配合，从而带动小齿轮转动，使得电机㊁大腿机构也绕大齿轮中心转动，如图４所示㊂图４㊀髋关节结构座椅连接板与大齿轮采用螺栓连接，螺母紧固，大齿轮留有一定的活动空间，便于旋转转动，从而实现髋关节的外展／内收运动㊂２㊀外骨骼运动学分析２ １㊀坐标系建立在运动时，空间中末端操作器的位姿与一系列关节变化角度之间的关系是机器人运动学的主要研究内容［６］㊂控制下肢外骨骼的过程中，为了能够实时地了解人体所处的运动状态，需要迅速地获得踝关节位姿与各个关节之间的距离㊂而运动学正向求解就是通过关节变量值求出末端控制器在空间笛卡尔坐标系下的位姿；反之，通过机器人末端的位置和姿态，求出所需的关节变量值即为求运动学逆解㊂外骨骼是一系列由关节连接起来的连杆所组成［７］，对于串联机器人一般运用Ｄ⁃Ｈ法来建立运动学模型［８］㊂由于外骨骼两侧的机械结构为左右对称，而人体的步态周期具有周期性，因此仅对单腿结构进行研究，如图５所示，采用Ｄ⁃Ｈ法对外骨骼机器人右腿建立运动学坐标系［９］，基坐标系Ｏ０在右腿髋关节处，站立姿态为初始零位㊂获得外骨骼的Ｄ⁃Ｈ参数表，见表１㊂表中，θｉ为连杆转角；ａｉ为连杆长度；αｉ为连杆扭角㊂图５㊀外骨骼运动学模型㊃３１㊃第１５期吴俊杰等：一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真㊀㊀㊀表１㊀外骨骼Ｄ⁃Ｈ参数表连杆ｉθｉａｉαｉ１θ１ａ１０ʎ２θ２０９０ʎ３θ３ａ３０ʎ４θ４ａ４０ʎ２ ２㊀正运动学求解在外骨骼所建立的坐标系的基础上，利用齐次变换矩阵将各个坐标系相互联系起来㊂根据表１给出的Ｄ⁃Ｈ参数，计算外骨骼相邻两杆的齐次变换矩阵ｉ－１ｉＴ：０１Ｔ＝Ｔｒａｎｓ（ｘ１，ａ１）１００ａ１０１００００１００００１éëêêêêêùûúúúúú１２Ｔ＝Ｒｏｔ（ｚ１，θ２）㊃Ｒｏｔ（ｘ２，α２）ｃｏｓθ２０ｓｉｎθ２０ｓｉｎθ２０－ｃｏｓθ２００１０００００１éëêêêêêùûúúúúú２３Ｔ＝Ｒｏｔ（ｚ２，θ３）㊃Ｔｒａｎｓ（ｘ３，ａ３）ｃｏｓθ３－ｓｉｎθ３０ａ３ｃｏｓθ３ｓｉｎθ３ｃｏｓθ３０ａ３ｓｉｎθ３００１００００１éëêêêêêùûúúúúú３４Ｔ＝Ｒｏｔ（ｚ３，θ４）㊃Ｔｒａｎｓ（ｘ４，ａ４）ｃｏｓθ４－ｓｉｎθ４０ａ４ｃｏｓθ４ｓｉｎθ４ｃｏｓθ４０ａ４ｓｉｎθ４００１００００１éëêêêêêùûúúúúú将上述齐次坐标变换矩阵依次相乘可以得到外骨骼的坐标变换矩阵０４Ｔ＝０１Ｔ㊃１２Ｔ㊃２３Ｔ㊃３４Ｔ：０４Ｔ＝ｃ２ｃ３４－ｃ２ｓ３４ｓ２ａ４ｃ２ｃ３４＋ａ３ｃ２ｃ３＋ａ１ｓ２ｃ３４－ｓ２ｓ３４－ｃ２ａ４ｓ２ｃ３４＋ａ３ｓ２ｃ３ｓ３４ｃ３４０ａ４ｓ３４＋ａ３ｓ３０００１éëêêêêêùûúúúúú（１）其中ｃ１代表ｓｉｎθ１，ｃ１代表ｃｏｓθ１，ｓ１２代表ｓｉｎ（θ１＋θ２），其他类似㊂若令θ１＝０，θ２＝９０ʎ，θ３＝１４５ʎ，θ４＝７５ʎ，并将有关常量代入到式（１），得到：０４Ｔ＝００１ａ１－０ ７６６０ ６４３０－０ ７６６ａ４－０ ８１９ａ３－０ ６４３－０ ７６６０－０ ６４３ａ４＋０ ５７４ａ３０００１éëêêêêêùûúúúúú这与人体站立时的位姿一致，证明了外骨骼的Ｄ⁃Ｈ坐标系与运动学正解是正确的㊂由式（１）可以得到外骨骼踝关节的运动方程为：ｐｘ＝ａ４ｃ２ｃ３４＋ａ３ｃ２ｃ３＋ａ１ｐｙ＝ａ４ｓ２ｃ３４＋ａ３ｓ２ｃ３ｐｚ＝ａ４ｓ３４＋ａ３ｓ３ìîíïïïï式中：ｐｘ㊁ｐｙ㊁ｐｚ分别为踝关节在ｘ㊁ｙ㊁ｚ方向上的位移㊂２ ３㊀逆运动学求解在工程应用中，逆运动学对于外骨骼的轨迹控制与步态规划更为重要［９］㊂假定已知外骨骼末端位姿矩阵，分别求各关节角度㊂０４Ｔ＝ｎｘｏｘａｘｐｘｎｙｏｙａｙｐｙｎｚｏｚａｚｐｚ０００１éëêêêêêùûúúúúú＝１０Ｔ１２Ｔ２３Ｔ３４Ｔ将方程两端同时左乘１２Ｔ－１０㊀１Ｔ－１即１２Ｔ－１０㊀１Ｔ－１０㊀４Ｔ＝２３Ｔ２３Ｔ联立方程组，可得：ｃ３ｃ４－ｓ３ｓ４＝ｃ２ｎｘ＋ｓ２ｎｙ＝ｏｚｓ３ｃ４＋ｃ３ｓ４＝ｎｚ＝－ｃ２ｏｘ－ｓ２ｏｙａ４ｃ３４＋ａ３ｃ３＝ｃ２ｐｘ＋ｓ２ｐｙ－ａ１ｃ２ａ４ｓ３４＋ａ３ｓ３＝ｐｙｓ２ｐｘ－ｃ２ｐｙ－ａ１ｓ２＝０ìîíïïïïïï可求得：θ２＝Ａｔａｎｐｙｐｘ－ａ１θ４＝Ａｃｏｓｃ２２（ｐ２ｘ＋ａ２１＋２ａ１ｐｘ）－２ｓ２ｃ２（ｐｘｐｙ＋ａ１ｐｙ）－ａ２４－ａ２３２ａ３ａ４θ３＝Ａｔａｎｎｚｏｚæèçöø÷－θ４求解反三角函数往往造成机器人运动学逆解具有多个，为此必须结合实际情况与机械结构特点做出判断，以选择合适的解㊂３　下肢外骨骼仿真利用ＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳ完成对外骨骼机械结构的几何建模，并导入ＡＤＡＭＳ进行设定，建立虚拟样机，模拟下肢外骨骼在虚拟环境中的运动过程，直观地分析外骨骼运动学［１０－１１］㊂由于文中仅研究外骨骼应用于直线助力辅助行走，所以仅保留人体矢状面内的关节运动，其余平面的关节设置为固定约束㊂依据外骨骼运动特性，以前述公式为基础设置驱动数据［１２］，通过仿真获得了踝关节在运动时Ｙ㊁Ｚ方向的位移曲线和髋关节与膝关节的输出角度变化曲线，如图６㊁图７所示㊂㊃４１㊃机床与液压第４６卷㊀图６㊀踝关节Ｙ㊁Ｚ方向㊀㊀㊀㊀图７㊀髋关节与膝关节输的仿真位移曲线出角度变化曲线由图６获得踝关节在运动过程中的位姿变化曲线，踝关节在Ｙ㊁Ｚ方向做往复运动，在Ｚ方向位移变化最大，为前进方向㊂对比踝关节位移的图６仿真曲线与图８理论曲线，如表２所示，可知两种结果中位移变化存在一定的误差，但总体相差不大，在误差允许范围之内，理论曲线更加连续平缓㊂外骨骼髋关节与膝关节的输出角度变化曲线符合人体正常运动的步态，证明可以实现携带人体行走㊂图８㊀踝关节Ｙ㊁Ｚ方向的理论位移曲线表２㊀踝关节位移值时间／ｓ００ ５１ ０１ ５２ ０踝关节仿真Ｙ位移／ｍｍ０－３６００３２１７踝关节理论Ｙ位移／ｍｍ２－３６５－３２３２６－８髋关节仿真Ｙ位移／ｍｍ０１３５０６５３髋关节理论Ｙ位移／ｍｍ－７１２４１３５７７４㊀总结介绍了下肢外骨骼的基本结构设计，对自由度进行分配，并以此为基础，利用坐标变换与Ｄ⁃Ｈ法建立运动学模型，求出机器人正㊁逆运动学解，建立脚踝部与各关节角度之间的关系㊂最后，根据现实应用环境，对外骨骼运用仿真软件ＡＤＡＭＳ进行运动学仿真㊂仿真结果证明了外骨骼结构的合理性，行走步态与人的步态相同，为后续工作提供了理论基础与数据参考㊂参考文献：［１］沈凌，孟青云，喻洪流．基于虚拟样机技术的下肢假肢结构设计与仿真［Ｊ］．工程设计学报，２０１１，１８（１）：３４－３７．ＳＨＥＮＬ，ＭＥＮＧＱＹ，ＹＵＨＬ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＬｅｇＰｒｏｓｔｈｅｓｉｓＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢａｓｅｄｏｎＶｉｒｔｕａｌＰｒｏｔｏｔｙｐｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ，２０１１，１８（１）：３４－３７．［２］ＹＡＮＧＣＪ，ＮＩＵＢ，ＣＨＥＮＹ．ＡｄａｐｔｉｖｅＮｅｕｒｏ⁃ｆｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌＢａｓｅｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＷｅａｒａｂｌｅＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＬｅｇｆｏｒＨｕ⁃ｍａｎＷａｌｋｉｎｇＰｏｗｅｒＡｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥＩｎ⁃ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭｅｃｈａｔｒｏｎ⁃ｉｃｓ．Ｍｏｎｔｅｒｅｙ．Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，２００５：４６７－４７２．［３］ＺＯＳＳＡ，ＫＡＺＥＲＯＯＮＩＨ，ＣＨＵＡ．ＯｎｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｅ⁃ｓｉｇｎｏｆｔｈｅＢｅｒｋｅｌｅｙＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ（ＢＬＥ⁃ＥＸ）［Ｃ］／／ＩＥＥＥ／ＲＳＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎｔｅｌｌ⁃ｇｅｎｔＲｏｂｏｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．Ｅｄｍｏｎｔｏｎ，２００５：３１３２－３１３９．［４］王伟．可穿戴机器人的研究现状和面临的挑战［Ｊ］．机器人技术与应用，２０１３（４）：１２－１６．［５］赵彦峻，葛文庆，刘小龙，等．外骨骼机器人设计及其机械结构的有限元分析［Ｊ］．机床与液压，２０１６，４４（３）：１０－１３．ＺＨＡＯＹＪ，ＧＥＷＱ，ＬＩＵＸＬ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＲｏｂｏｔａｎｄＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１６，４４（３）：１０－１３．［６］崔谨想．下肢外骨骼机器人系统建模与仿真实验研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１４．［７］理查德㊃摩雷，李泽湘，夏恩卡．萨思特里．机器人操作的数学导论’Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８：４５－４９．［８］许路航，王钰，王志乐．上肢外骨骼运动的逆向求解仿真［Ｊ］．科学技术与工程，２０１１，１１（１４）：３３３１－３３３５．ＸＵＬＨ，ＷＡＮＧＹ，ＷＡＮＧＺＬ．ＲｅｓｅｒｖｅＳｏｌｖｉｎｇａｎｄＳｉｍｕ⁃ｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＭｏｔｉｏｎｏｆＵｐｐｅｒ⁃ｌｉｍｂＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，１１（１４）：３３３１－３３３５．［９］ＳＡＮＴＩＳＡＤ，ＳＩＣＩＬＩＡＮＯＢ．ＩｎｖｅｒｓｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆＲｏｂｏｔＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｗｉｔｈＭｕｌｔｉｐｌｅＭｏｖｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＰｏｉｎｔｓ［Ｍ］／／ＬＥＮＡＲＣ㊅ＩＣ㊅Ｊ，ＷＥＮＧＥＲＰ．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＲｏｂｏｔＫｉｎｅｍａｔｉｃｓ：ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ．Ｂｅｒｌｉｎ：ＳｐｒｉｎｇｅｒＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，２００８：４２９－４３８．［１０］易嘉伟，程文明，濮德璋．携行式外骨骼下肢运动学分析与仿真［Ｊ］．机械设计制造，２０１４（２）：１７１－１７４．ＹＩＪＷ，ＣＨＥＮＧＷＭ，ＰＵＤＺ．ＴｈｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＰｏｒｔａｂｌｅＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２０１４（２）：１７１－１７４．［１１］梁青，宋宪玺，周烽，等．基于ＡＤＡＭＳ的双足机器人建模与仿真［Ｊ］．计算机仿真，２０１０，２７（５）：１６２－１６５．ＬＩＡＮＧＱ，ＳＯＮＧＸＸ，ＺＨＯＵＦ，ｅｔａｌ．ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕ⁃ｌａｔｉｏｎｏｆＢｉｐｅｄＲｏｂｏｔＢａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２０１０，２７（５）：１６２－１６５．［１２］刘小龙，赵彦峻，葛文庆，等．医疗助力下肢外骨骼设计及动力学仿真分析［Ｊ］．工程设计学报，２０１６，２３（４）：３２７－３３２．ＬＩＵＸＬ，ＺＨＡＯＹＪ，ＧＥＷＱ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｙｎａｍｉｃｓＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｅｄｉｃａｌＤｉｓａｂｌｅｄＬｏｗｅｒＬｉｍｂＥｘｏ⁃ｓｋｅｌｅｔｏｎ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ，２０１６，２３（４）：３２７－３３２．（责任编辑：卢文辉）㊃５１㊃第１５期吴俊杰等：一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真㊀㊀㊀。

下肢可穿戴外骨骼机器人仿人机构设计与运动控制
研究中期报告
该项目旨在设计并实现一种下肢可穿戴外骨骼机器人，以帮助身体机能受损者恢复日常活动功能。

本中期报告主要介绍了仿人机构设计和运动控制方案的研究进展。

1. 仿人机构设计
在设计仿人机构时，考虑到外骨骼需要具备与人体肢体相似的结构和运动自由度，我们选择了仿照人体肢体结构进行设计。

具体来说，我们将下肢分为大腿、小腿和足部三个部分，分别设计三段联动式机构，并将它们串联起来。

大腿段采用灵活的万向节结构，小腿段采用滑轨式机构，足部部分采用弹性连接的结构，这样可以实现足部在不同地面角度下的自适应。

2. 运动控制方案
在运动控制方案方面，我们提出了基于位置反馈的控制方法，即通过腿部关节传感器获取腿部的实际位置和姿态信息，然后控制电机使外骨骼机器人跟随人体肢体的运动。

这种控制方法可以较好地模拟人体肢体的运动，并且可以根据用户的需要进行调整和优化。

为了验证以上设计方案的有效性，我们进行了有限元仿真和实际机器人验证实验。

有限元仿真结果表明，设计的外骨骼机器人具有稳定的结构和运动性能。

实际机器人验证也表明，该外骨骼机器人可以实现与人体肢体相似的运动模式，并能够部分帮助身体机能受损者恢复下肢活动功能。

3. 难点和下一步工作
在实验过程中，我们发现外骨骼机器人的重量和动力系统的控制是目前的主要难点。

解决这些难点需要我们进一步优化设计并使用更加高效的控制算法。

下一步，我们将进行更加深入的仿真和实验，优化机器人的外形、重量和运动控制算法，以达到更好的恢复人体下肢活动功能的效果。

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。

下肢外骨骼康复机器人设计及运动学分析摘要：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。

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。

基于OpenSim的柔性下肢助力外骨骼设计及仿真分析
冯博琳;宋鹏;李睿远;韦祖拔;李强;孙汐畅
【期刊名称】《机械传动》
【年(卷),期】2024(48)5
【摘要】针对目前刚性外骨骼存在穿戴舒适性差、外骨骼关节难以与人体关节匹配、对人体自由度限制较多等问题,设计了一种柔性下肢助力外骨骼,该外骨骼采用柔性弹力带储能装置,可实现行走时对人体下肢肌肉进行助力。

使用OpenSim软件建立了柔性外骨骼人机交互的模拟,以实现其最佳助力方案为目标,建立了多关节助力、单关节助力人机耦合模型;研究了不同关节助力组合对人体助力的影响以及不同弹簧刚度外骨骼人机耦合模型对膝关节、髋关节和踝关节的影响。

结果表明,单关节助力方案优于多关节助力方案,随着弹簧刚度的增加,当达到20 N/mm时,单踝关节助力方案助力效果最好。

模拟仿真结果表明,穿戴踝关节外骨骼后与不穿戴的情况相比,在行走过程中,人体总体能量消耗、小腿主要运动肌肉受力均有所减小,减小了穿戴者的肌肉负担,达到了助力目的。

【总页数】5页(P62-66)
【作者】冯博琳;宋鹏;李睿远;韦祖拔;李强;孙汐畅
【作者单位】西北机电工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.基于SolidWorks仿真技术的下肢外骨骼助力系统设计
2.基于Opensim的柔性外骨骼机器人的模拟仿真
3.人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计及运动学仿真分析
4.基于OpenSim的下肢外骨骼机器人仿真研究
5.被动式储能助力下肢外骨骼系统设计与仿真分析
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第6期2021年6月300机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 新型下肢外骨骼机器人动力学仿真邓斌,赵英朋（西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心，四川 成都610031）摘要:人体躯干能够根据负载重量而自适应调节前倾角度，有利于人体对下肢外骨骼的控制和人机系统行走稳定性。

当超出一定负重时，躯干前倾困难。

设计一种新型號背结构,利用负重重量增加躯干前倾角度。

首先分析人体步态，方 便仿真时施加约束和驱动等元素;然后将人体简化为七杆模型，用Kane 方法建立动力学方程，减少中间变量，提高计算效 率;最后通过Adams 进行动力学仿真验证。

仿真得到的结果表明：承载负重之后，髓背机构能使人体躯干前倾更加省力， 人机系统重心位置相比于之前接近稳定区域，并且系统重心比之前有所降低，进一步保证系统稳定。

关键词:外骨骼;步态分析;动力学;仿真;Kane 方法中图分类号:TH16 文献标识码:A 文章编号:1001-3997(2021)06-0300-05Dynamics Simulation of New Exoskeleton RobotDENG Bin, ZHAO Ying-peng(Ministry of Education Engineering Research Center for Advanced Driving and Energy-saving Technology , Southwest Ji ­ao Tong University, Sichuan Chengdu 610031, China)Abstract ： The human torso adaptive control the forward angle according to the load weight, which is beneficial to the humanbody to control the lower limb exoskeleton and the walking stability of man-machine system. When the load exceeds a certain range , it is difficult f or the torso to lean f orward. In this paper, a new type of hip back structure is designed, which is used to in ­crease the angle of f orward tilt of t he trunk. Firstly, analyze the human gait, which makes it corwenient to apply constraints anddriving elements in simulation;And then simplify the human body into a seven-bar model, Using Kane method to establish dy ­namic equations 9 reduce intermediate variables and improve calculation efficiency; Finally, the dynamics simulation is carried out by Adams. The simulation results show thati After carrying load, the hip back mechanism can make the body lean f orwardand save more power, the center of g ravity of m an-machine system is closer to the stable region than before 9 a nd the center of g ravi ­ty of t he system is lower than before 9 w hich f urther ensures the stability of t he system.Key Words : Exoskeleton ； Gait Analysis ； Dynamics ； Simulation ； Kane Method1引言随着科学技术日新月异的发展，下肢外骨骼机器人技术也得到快速的更迭,针对不同场合具有更加良好的适应性。

一种多功能下肢外骨骼机器人的设计与仿真分析贾丙琪毕文龙魏笑徐国鑫赵彦峻孙一栋（山东理工大学机械工程学院，山东淄博255049）摘要针对老年人以及下肢运动障碍患者的康复训练和运动代步的需求，设计了一种多功能下肢外骨骼机器人，利用辅助起立机构和腿部外骨骼实现对使用者下肢的康复训练。

分别了建立外骨骼机器人单腿支撑阶段和双腿支撑阶段5杆模型，采用拉格朗日方法推导出动力学模型，计算各关节所需的理论力矩；建立虚拟样机模型进行动力学仿真，仿真数据与理论数据进行比较，验证了理论推导的准确性和外骨骼机器人设计的合理性，为后续电机选型提供了依据。

关键词下肢外骨骼结构设计动力学计算仿真分析Design and Simulation Analysis of Multi-purpose Lower Limb Exoskeleton Robot Jia Bingqi Bi Wenlong Wei Xiao Xu Guoxin Zhao Yanjun Sun Yidong（School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo255049，China）Abstract Aiming at the needs of rehabilitation training and movement substitution for the elderly and pa⁃tients with lower limb movement disorders，a multi-purpose lower limb exoskeleton robot is designed，which utilizes auxiliary standing mechanism and exoskeleton to realize the rehabilitation training of lower limbs for us⁃ers.Five-bar models of the one-leg support stage and the two-leg support stage of the exoskeleton robot are es⁃tablished，and the dynamics model is deduced by Lagrange method to deduce the theoretical moments required for each joint.A virtual prototype model is established to carry out dynamics simulation，and the simulation data is compared with the theoretical data to verify the rationality of the design of the exoskeleton robot with the accu⁃racy of the theoretical deduction，which provides a theoretical basis for motor selection.Key words Lower limb exoskeleton Structure design Dynamics calculation Simulation analysis0引言我国老龄化进程持续加快，老年人脑血管疾病的术后康复问题引起更多人的关注。

下肢外骨骼康复机器人动力学仿真与分析
马晓君;刘玉阳;贾秋生;刘德胜;刘训报;袁铭润
【期刊名称】《机械传动》
【年(卷),期】2022(46)12
【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。

【总页数】7页(P106-111)
【作者】马晓君;刘玉阳;贾秋生;刘德胜;刘训报;袁铭润
【作者单位】佳木斯大学机械工程学院;哈尔滨轴承集团公司;佳木斯大学信息电子技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【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.下肢外骨骼机器人的动力学分析及仿真
4.下肢康复
外骨骼机器人动力学分析及仿真5.外骨骼型下肢康复机器人结构设计与动力学分析
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