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助行训练机器人腿部外骨骼机构的建模与

2017-11-30 8页 doc 79KB 114阅读

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助行训练机器人腿部外骨骼机构的建模与助行训练机器人腿部外骨骼机构的建模与 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 中国科技论文在线 www.docin.com/week114 助行训练机器人腿部外骨骼机构的建模与 研究 董玉红1,田素玲1,侯春阳2 ,1. 哈尔滨理工大学机械动力工程学院~哈尔滨 150080, 5 2. 哈尔滨理工大学~哈尔滨 150080, 摘要:作为一种帮助偏瘫、中风等行走困难患者恢复健康的助行训练机器人~它的腿部结构 尤为重要~本文通过对正常人行走腿部关节自由度的分析~提出一种单自由度的...
助行训练机器人腿部外骨骼机构的建模与
助行训练机器人腿部外骨骼机构的建模与 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 中国科技论文在线 www.docin.com/week114 助行训练机器人腿部外骨骼机构的建模与 研究 董玉红1,田素玲1,侯春阳2 ,1. 哈尔滨理工大学机械动力学院~哈尔滨 150080, 5 2. 哈尔滨理工大学~哈尔滨 150080, 摘要:作为一种帮助偏瘫、中风等行走困难患者恢复健康的助行训练机器人~它的腿部结构 尤为重要~本文通过对正常人行走腿部关节自由度的分析~提出一种单自由度的腿部外骨骼 机构~并进行正逆运动学分析~在 Mathb,Simulink 环境下进行了仿真分析。用 Pro,E 工 具进行三维实体模型设计~所以具有一定的参考价值。 10 关键词:助行训练,外骨骼,仿真,三维模型 中图分类号:,TP242, 文献标识码:A Modeling and Study of exoskeleton mechanism 15 for walking aided training robot Dong Yuhong1, Tian Suling1, Hou Chunyang2 (1. Harbin University Of Science And Technology Mechanical Power Engineering Institute, Harbin 150080; 2. Harbin University Of Science And Technology, Harbin 150080) Abstract: The walking aided training robot is s a kind of rehabilitation equipment to help walking 20 training for paralysis and stroke patients, It is particular important to the leg structure. Through the analysis on leg joint freedom when a normal person is at walking ,a kind of exoskeleton mechanism that has single degree of freedom has been put forward for the pelvis movement when a person is at walking, then carry out forward and reverse kinematic analyses and make simulative analysis under the environments of Matlab,Simulink. By the use of Pro,E,three- 25 dimensional entity model has been designed. so it has a certain referential value. Keywords:walking aid training; exoskeleton; simulation; three-dimensional model 0 引言 近年来康复机器人的研究已经成了国际机器人领域的一个研究热点。随着科技的进步和 30 人民生活水平的提高,我国也和世界许多国家一样,正在步入人口老龄化。老年人由于身体 机能的衰退,患病率高,这类患者很多伴随偏瘫会截瘫症状,导致下肢肢体运动障碍;另外, 由于交通事故导致的肢体障碍的人数也居多。这就会使社会医疗系统面临前巨大的压力,家 庭护理费用高,劳动强度大,护理条件急需改善。 康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练,如行走训练、颈 35 部运动训练等。目前,美国和日本在这方面的研究居于领先地位[1],美国芝加哥 PT 公司研 发的平衡机器人。对失去身体平衡的人康复训练有很好的效果,这种机器人的定位精度高, 准确性很好。日本设计了一种帮助行走的康复机器人,这种康复机器人由一个具由三个自由 度的支撑垫组成,能够帮助病人站立,并且支撑病人行走,减少患者腿部压力。国内清华大 学和哈尔滨工程大学等在康复机器人方面都做出了很大贡献,清华大学开发提供一种既具有 40 站立架功能,又能在坐姿和站姿时对下肢进行被动康复训练,以及能够进行行走训练。 作者简介:董玉红,女(1965-),女,教授,主要研究方向:数控技术 康复机器人 通信联系人:田素玲,(1981-),女,主要研究方向:助行训练机器人. E-mail: snowtsl@163.com -1- 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 中国科技论文在线 www.docin.com/week114 1 人体下肢运动分析 人体的行走主要是依靠髋关节和膝关节来实现的。髋关节是球臼关节,由髋骨的髋臼、 股骨头和股骨颈连接,下与股骨相连。髋关节的运动就具有很大的灵活性。髋关节在三个运 45 动平面内作(0?~135?、0?~15?)的屈/伸运动、(0?~25?、0?~30?)的内收/外展 [2]。 运动和(0?~70?、0?~90?)的内旋/外旋运动 膝关节属于滑膜关节,是由股骨远端、胫骨近端和髌骨共同组成。作为人体最完善最复 杂的关节,是下肢活动的枢纽,膝关节的负重多而且运动量大。小腿胫骨围绕膝关节作屈/ 伸运动,范围在(0?~135?)。同时还可以作为内旋/外旋运动,但由于内旋/外旋运动运 动幅度不大,我们忽略不考虑。为了取得有效地行走,在步行周期内膝关节的弯曲幅度最大, 50 这样可以减小有效地腿长,从而带动脚掌离地,完成步行运动。 图 1 人体步态周期 Fig. 1 Human gait cycle 55 人体的步态行走分为两个周期:支撑期和摆动期如图 1 所示。从脚跟接触地面到脚掌离 地为一个支撑期,立即进入摆动期,到另一脚跟接地摆动期结束,如图所示人在行走的一个 周期内有 60%是单腿支撑,(其中双腿触地时期称之为双支撑期,他的时间长短人体的步 速密切相关,人行走速度越慢,双支撑期的时间越长,大约占 20%左右),其余 40%是摆 动期。 60 2 运动学方程的建立 人体的腿部模型和坐标如图 2 所示连杆各关节参数确定后我们对各个关节进行建模,并 对模型进行正运动学分析[3]。正运动学分析是给定各个关节转角,通过计算获得腿部末端位 置,逆运动学分析是给定末端轨迹,求各关节转角。由于人在行走过程中两腿交替进行运动, 现以单腿为例进行分析,图 3 腿部机构的求解示意图,得到位资达式。目前,国内很多助 65 行训练机器人的控制机构都是基于关节角度控制和几何位资控制来实现的。 图 2 人体的腿部模型 图 3 腿部机构运动学解 Fig. 2 Human leg mode Fig. 3 Leg kinematics solutions -2- 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 , sin, 0 l1 1 ,, 中国科技论文在线 www.docin.com/week114 T0 , , ,cos,1 sin,1 0 l1 cos,1 , cos, sin, 1 1 1 1 1 1 70 0 1 0 , , 0 sin,,1 ,,2, cos,,1,,2, 0 1lsin,1 ,l2sin,,1 ,,2, , , , T2 , T1 T2 ,, , 0 0 0 1 , ,cos,, ,,2, sin,, ,,2, 1cos, ,l2 cos,, ,,2,, 0 l , , 0 0 1 , 0 0 1 0 , , , , 0 0 0 1 , ,; y2 , l1 sin ,1 , l2 sin ,,1 , , 2 , 得到踝关节处的位资坐标为 ,, x2 , l1 cos ,1 , l2 cos ,,1 , , 2 , , x 2 , 2y l1 , l2 2 cos, l1l2 , r 2 对模型进行逆运动学分析可知: 2 r , l1 , l2 r 2 75 2 2 由余弦定理得 2 ,2 , , , , arccos r 2 , l1 l2 2 2l1l2 , , r 2 , l12 2rl1 cos , , l22 2 y2 , , arccos x2 2rl1 , ,, , arccos l1 2l r , 2 , y , 80 , x 2 , 2 2 2 2 ; 2l1l 2 3 运动学仿真及分析 对单侧下肢进行运动学仿真分析,图 4 为运动学分析方法示意图。根据上述的正逆运动 学方法,用 Matlab 中的 Simulink 工具箱来搭建单侧下肢运动学模型,通过对人体的运 动轨迹进行分析,踝关节处的运动轨迹为类椭圆,对其进行轨迹规划,通过进行逆运动学分 析和正运动学分析,用 Simulink模块进行正逆运动学仿真分析如图 5 所示,以人体身高 175cm 85 为例,大腿长度约占人体高度的 1/4[4],设 l1 长度为 420cm,小腿长度 l2 为 400cm,得到末端轨 迹。 -3- 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 中国科技论文在线 www.docin.com/week114 图 4 运动学分析方法示意 图 5 仿真分析 Fig. 4 Kinematics analysis method Fig. 5 The simulation analysis 90 期望得到的轨迹曲线如图 6 所示,实际得到的仿真曲线如图 7 所示,通过对比得出该运 动学模型是可靠的,可以实现腿部的位资控制。 根据中风偏瘫患者的特点,提出一种单自由度的可穿戴外骨骼式助行机器人结构。由于 膝关节主要做屈伸运动,,只需要满足在矢状面的一个自由度即可,由于踝关节也有一个旋 95 转自由度,为了能够模拟正常人人体的运动,较好的矫正患者的步态,结构上踝关节采取患 者主动运动的设计。用 Pro,E 进行三维实体模型设计如图 8 所示,大腿杆和小腿杆长度上 都是可以调节的以适应不同身高的人的需要,采用丝杠螺母机构实现膝关节的屈伸运动,用 直流伺服电动机作为驱动源。 100 图 6 期望轨迹 图 7 得到轨迹 Fig. 6 Desired trajectory Fig 7 Get trajectory 图 8 实体模型 105 Fig. 8 Entity model -4- 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 中国科技论文在线 www.docin.com/week114 4 结论 本文给出了人体正常行走时各个关节自由度,对于行走和支撑起到主要作用的腿部,设 计了一种单自由度的外骨骼助行机器人,对其进行逆运动学和正运动学分析,利用 MATLAB 110 ,Simulink 工具针对结构进行仿真分析,仿真结构表明,该结构可行,最终确定机器人 的实体结构,并用用 Pro,E 工具进行三维实体模型绘制,为助行机器人骨盆机构的设计奠 定基础。 [参考文献] (References) [1] 顾文锦,刘建成.人体步态的动力学建模与仿真[J].海军航空工程学院学报,2008,3:149-153 115 [2] 张立勋,董玉红.机电系统仿真与设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2006. [3] 殷际英,何广平.关节型机器人[M].北京:化学工业出版社,2003,20-52 [4] Yasuhisa Hirata, Takuya Iwano , Kazuhiro Kosuge. Control of Wearable Walking Helper on Slope Based on Integration of acceleration and GRF Information[J]. 2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems Acropolis Convention Center Nice,2008, 7, 22-261. 120 [5] 冯治国,钱晋武,章亚男.下肢外骨骼矫形器动力学建模与运动控制研究[J].高技术通 讯,2009,19(3):267-272. -5-
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