下肢外骨骼机器人运动学分析与轨迹控制实现.pdf

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1、下肢外骨骼机器人运动学分析与轨迹控制实现尤跃东，殷跃红(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240)KinematicsAnalysisandTrajectoryControlRealizationofLowerExtremityExoskeletonRobotYOUYue—dong，Y1NYue—hong(Sehoc1ofMechanicalEngineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China)摘要：为满足神经受损患者下肢康复训练需要，提高起到重要作用口]。传统对下肢残疾的康复治疗设计了外骨骼下肢

2、康复机器人，建立了其运动学解主要依赖于康复治疗师一对一的徒手训练，借助于析关系；对患者的康复策略进行了分析选择．并对康康复治疗师牵引带动患者肢体进行康复训练，其存复策略的轨迹控制方法进行了研究，详细讨论了基在效率低、成本高和训练参数不确定等缺点。为解于固高GUC--8轴嵌入式运动控制器的主被动控决上述问题，国内外很多机构开始着手研究康复医制实现方法。疗机器人【2]。关键词：康复机器人；运动学解析；康复策略；轨本文外骨骼下肢康复机器人采用6个自由度，迹控制方法；GUC一8轴嵌入式运动控制器除了重心自由度和跑步机的自由度外，左右机械腿中图分类号：TH13；TP24的自由度均

3、有2个，为髋关节和膝关节2个自由度，文献标识码：A分别由独立的带滚珠丝杠的驱动机构实现关节运文章编号：1001—2257(2012)03—0065—04动，可以实现矢状平面上的弯曲和伸展运动。髋关Abstract：Tosatisfytrainingdemandsfor节摆动行程为一30。～60。，膝关节摆动行程为0～walkingpatientswithimpairedcranialnerves，a11O。，符合单腿屈伸以及步态训练角度摆动要求。lowerextremityexoskeletonrehabilitationrobot踝关节则由弹簧矫正机构矫正，防止训练过

4、程中脚wasdesignedanditskinematicswasdeduced．After部出现侧翻等非正常姿态。用于步态训练时，患者analyzingandchoosingtherecoverystrategyfor立于跑步机上正常行走，重心自由度用于模拟人步patients，thetrajectorycontrolmethodswerere—态行走时重心的上下浮动。searched．TheactiveandpassivecontrolmethodsbasedonGoogol8axesembeddedmotioncontrol—1外骨骼下肢机构及其运动学关系lera

5、rediscussedindetail．外骨骼下肢康复机器人机械腿的原理如图1所Keywords：rehabilitationrobot；kinematicsa—示，电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，从而带动固nalysis；recoverystrategy；trajectorycontrolmeth—od；Googol8axesembeddedmotioncontroller动中心警感，0引言膝～髋关节滑块髋关节推杆人体下肢运动功能障碍已经成为一种常见的疾2、大腿杆膝关节滑块病。这些患者除了早期的手术治疗和必要的药物治I，膝关节推杆疗外，科学的康复训练对于肢体运动功能的

6、恢复和’膝关节转动中心小腿杆收稿日期：2011—10—17基金项目：上海交通大学医工交叉研究基金重大项目资助项目(YG2010ZD101)图1下肢康复机器人机械腿原理《机械与电子~2012(3)·65·人运定于丝杠螺母上的髋关节滑块和膝关节滑块移动，滑块移动带动髋关节推杆和膝关节推杆运动使得大腿杆和小腿杆摆动。图1中实际尺寸S一9．7mm，S2===100mm，S3—60mm，S4—41mm，S5===108mm，S6—60mm。定义大腿和小腿相对于水平地面垂直的位置为小C下肢外骨骼的控制零位(如图1所示)，大腿相对于零位向前摆动为正角度，向后为负角度；膝关节相对于零位

7、向后摆动为正角度；L为髋关节处于零位图3膝关节运动学关系时，髋关节滑块相对于髋关节的距离，L一128．5rCOF=CoM～Ok一120。一0k1——————————mm；Lz为膝关节处于零位时，膝关节滑块相对于膝CD：CF—AB—OC×sin／COF—ABl——一‘关节的距离，L2—137．4mm。【oF=0C×COS／C0F1．1髋关节摆动角度0与髋关节滑块位移量L得到膝关节滑块位移量与膝关节摆动角度量关的几何关系系为：如图2所示，MON一为髋关节摆动角度。L一L2一AO一137．4一AB，BC，0C，／CoF的大小始终保持不变，则有：