下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

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1、Vol.30 No.2 Feb. 2009 第30卷第2期 2009年2月 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào) Journal of Harbin Engineering University 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 張立勛，張曉超 (哈爾淇工程大學(xué)機(jī)電工41學(xué)旎.黑龍江F 播 鼻：為満足神經(jīng)受損患者步行康復(fù)訓(xùn)練需嬰?設(shè)計(jì)了一種具有四自由及 了步 態(tài)機(jī)構(gòu)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析模型；為使機(jī)器人能模擬不同步態(tài)為患者提供多種i &長(zhǎng). 步態(tài)周期及步態(tài)時(shí)村為參數(shù)的可河步態(tài)規(guī)劃方法?通過基于MatlabXSimulin 真分 析?驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正縮性以及步態(tài)規(guī)劃的可行性?說(shuō)明該四

2、自由度步 步態(tài) 和腳踝運(yùn)動(dòng)姿態(tài)?滿足患者步態(tài)訓(xùn)練需要?仿真結(jié)果還可用于步態(tài)機(jī)構(gòu)的多珈幾Q譏八"，C2X八譏IXHH存祝林究提 供必要數(shù)據(jù)和研究基礎(chǔ). 關(guān)fit詞:康復(fù)機(jī)器人;步態(tài)規(guī)劃;機(jī)構(gòu)模型;運(yùn)動(dòng)于仿其 中圖分類號(hào):TP24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：IOO6-7O34(2OO9)O2-OI87X)5 Gait planning and kinematic simulation for a lower limb gait rehabilitation robot ZHANG Li-xun, ZHANG Xiao-chao (College rf Mechanical and Elec

3、trical Engineering, Harbin Engineering University■ Harbin 150001 .China) Abstract：To satisfy training demands for walking patients with impaired cranial nerves. a lower limb gait rehabilita? tion robot with a 4-lX)F gait mechanism was designed and its kinematics was deduced based on the closed-loop

4、 vector method? Furthermore, by analyzing the characteristics of natural human gait, a gait planning method was proposed to generate various gaits for the robot that satisfy the requirements of trainings using adjustable parameters such as gait stridet gait cyclef and the ratio of the support period

5、 or swaying period to the gait cycle. Finally, using a simulation environment in Matlab\Simulink \SiMMechanics 9 correction of kinematics was demonstrated, validating the proposed gait planning method? The simulation results can also be used for optimizing design of the mechanical parameters while s

6、upplying necessary data and building a theoretical foundation for subsequent research on the whole control system involving robot and patient? Keywords: rehabilitative robot；gait planning；mechanics model；kinematics simulation Vol.30 No.2 Feb. 2009 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是一種通過對(duì)患者下肢進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，促使病人恢復(fù)正常行走功能的的自動(dòng) 化醫(yī)

7、療設(shè)備，適用于下肢偏癱、腿外傷、脊柱外傷等 腿部運(yùn)動(dòng)功能障礙患者?一般由步態(tài)控制機(jī)構(gòu)，重心 調(diào)整機(jī)構(gòu)和重力平術(shù)機(jī)構(gòu)組成?各個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)， 模擬人的行走狀態(tài)，其中?步態(tài)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)患者腳部運(yùn) 動(dòng),實(shí)現(xiàn)步行時(shí)腳部的運(yùn)動(dòng)特征，包括腳的運(yùn)動(dòng)軌 跡，腳的姿卷等，從而避免了過去患者在電動(dòng)踏步機(jī) 收穆日期：2008-044. 基金項(xiàng)目：國(guó)家0然科學(xué)堆金資助項(xiàng)目(60575053)；高等學(xué)校博士學(xué) 科點(diǎn)女項(xiàng)科研圧金資助頂R (20060217024). 作者簡(jiǎn)介:張立動(dòng)(W62-),男.鞍授.博士生并師.E-mail jrfumgliiun @ hrimj. edu. cr? 上訓(xùn)練時(shí)，必須由護(hù)理人員協(xié)助患

8、者的腿步或腳步 運(yùn)動(dòng);在減輕護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，可提高患 者訓(xùn)練的連續(xù)性,持續(xù)性和科學(xué)性⑴.徳國(guó)自由大 學(xué)研制的名為MGT型康夏機(jī)器人模型，其步態(tài)機(jī)構(gòu) 采用的是一種兩自由度収曲柄搖桿機(jī)構(gòu)3】；瑞士 蘇黎世聯(lián)邦丄業(yè)大學(xué)研制的L0K0MAT的康復(fù)機(jī)器 人模型采用一種主動(dòng)式步態(tài)矯正裝( driven gait orthosis, DCO)帶動(dòng)患者的腿步在踏步機(jī)上訓(xùn)練⑷； 徳國(guó)FRANHOFER INSTTHJT IPK研究所提出采用 繩掘系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)步態(tài)運(yùn)動(dòng)⑸.MGT機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn) 單,但是由于腳踏板的位姿是由一個(gè)自由度確定的， 足部的位姿協(xié)調(diào)與正常步態(tài)有一定差距,Lokomat ?188

9、? 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào) 第刃卷 是比較成熟的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)雙側(cè)鶴膝 關(guān)節(jié)4個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)輔助人在跑步機(jī)步態(tài)訓(xùn)練.這 些方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?易于控制,但是由于基于 各種人體易化模型，機(jī)器人自由度少,步態(tài)訓(xùn)練時(shí), 患者的一些重要關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)得不到訓(xùn)練或者糾正.該 文以12自由度人體模型為研究對(duì)象，由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 可知當(dāng)上體(假設(shè)骨盆軀于為一體)位姿和雙足位 姿確定?即可確定雙鵝的運(yùn)動(dòng),即確定龍膝録關(guān)節(jié)的 運(yùn)動(dòng)?因此文中下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人采用四自由度 雙足步態(tài)機(jī)器人和六自由度骨盆機(jī)器人兩部分構(gòu) 成?其中雙足步態(tài)機(jī)器人系統(tǒng)用于帶動(dòng)患者雙腳實(shí) 現(xiàn)往復(fù)步態(tài)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程中腳部的運(yùn)動(dòng)，包括類橢 圓

10、軌跡步態(tài)運(yùn)動(dòng)和腳的姿態(tài)運(yùn)動(dòng). 1四自由度往復(fù)步態(tài)機(jī)構(gòu) 步態(tài)機(jī)構(gòu)采用雙側(cè)各單獨(dú)驅(qū)動(dòng).并通過規(guī)劃步 態(tài)位姿實(shí)現(xiàn)步速、步態(tài)時(shí)相可調(diào)的雙側(cè)協(xié)調(diào)步態(tài). 四白rti度步態(tài)機(jī)構(gòu)原理見圖1,單側(cè)2自由度. 該機(jī)構(gòu)可分為2部分:步態(tài)機(jī)構(gòu)和腳姿態(tài)機(jī)構(gòu).步態(tài) 機(jī)構(gòu)由曲柄1,連桿2,滾輪8,地面支撐7構(gòu)成?相當(dāng) 于曲柄滑塊機(jī)構(gòu);曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周，與連桿2餃接的腳 踏板6的回轉(zhuǎn)中心相應(yīng)走過一個(gè)類橢圓軌跡?適當(dāng) 地選擇機(jī)構(gòu)參數(shù)?可實(shí)現(xiàn)模擬往復(fù)行走運(yùn)動(dòng)軌跡;通 過規(guī)劃兩側(cè)主動(dòng)曲柄運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)腳踏板的協(xié)調(diào) 運(yùn)動(dòng)?姿態(tài)機(jī)構(gòu)由絲杠5,螺母4,連桿3,腳踏板6組 成，連桿間較鏈連接?絲杠往復(fù)運(yùn)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)腳踏板 相對(duì)水平方向的擺

11、動(dòng)，用于模擬步行過程中腳的姿 態(tài)?協(xié)調(diào)絲杠與曲柄的運(yùn)動(dòng)關(guān)系?可模擬和調(diào)節(jié)人在 步態(tài)周期中腳的位置和姿態(tài)間的動(dòng)態(tài)關(guān)系. I-曲柄，2-連桿，3-連桿，4■螺母， 5 ■絲杠，6-腳踏板.7?支揮.8 -滾輪 圖I步態(tài)機(jī)器人機(jī)構(gòu)廉理圖 Fig. I Sketch of the 4-DOF gait mechanics 2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 基于閉壞矢量法分別建立步態(tài)機(jī)構(gòu)和姿態(tài)機(jī)構(gòu) 的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程. 2. 1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 并亠S S Xn ★ *厶“出AA Ilf 卡系設(shè) 置、閉環(huán)矢 lol為參考 仝標(biāo)系 列寫閉環(huán)矢量方程: + 尺2 = R). 十 R*2 = Rq

12、 9 + R& * R? = /?g + 將此矢疑分解到力和y坐標(biāo)軸上，得到 /|CO8 九 + Z2cos % =皿 /|Sin 0[L + /2sin 竝=h. Acos 血 + 1坪氐=p— （]） /iin $iL + Z3sin 俎=p^9 /5CO8 0$l + /6cos 0iL + Z7cos 0n = - /8, l$sin 05L + l6sin 弧 + /^in 0v = - 式中:%（i = 1,2,-J）為矢戢R,的矢量角，當(dāng) iW4時(shí)如定義為從力軸指向該矢量;當(dāng)i >4時(shí)幽 定義為從衍軸指向該矢竝?規(guī)定逆時(shí)針方向?yàn)檎? 且-7TW血W7T? 另外由

13、圖中可知阪=飯■于，且根據(jù)步行時(shí)腳 與地面夾角的實(shí)際情況?限定-ir/2 < e1L < M2?代 入并解上方程組(1),得 P述=Oil + h J】 ?［（h-來(lái)in 血）/口丁, PyL = ）//2sin 血=耐彳士判， 兔=arcsin［*（絡(luò) *厶 g "：）］? 第2期 張立勛?等:下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人步玄規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 ? 189 ? 2 第2期 張立勛?等:下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人步玄規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 ? 190 ? 式中： &2=2?7(C+A),虬=4A(C+ZJ). 則 % = azin(口嚴(yán)卜 arcsin[ (A:u + l4 Jk

14、、、- &『)/嘉〕? (3) 式(2).(3)為左側(cè)步態(tài)機(jī)構(gòu)位置正解.同理可得右 側(cè)步態(tài)和姿態(tài)機(jī)構(gòu)垃籃止解為 3下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法 為實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練,需要對(duì)該四自由度步態(tài)機(jī)器 人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃?使其能模擬不同步長(zhǎng)步速情況下 人的步態(tài)運(yùn)動(dòng)，以滿足步行康復(fù)訓(xùn)練需要?機(jī)器人模 (4) P 吠=Acos 擬的是往“ 似⑹，一個(gè) 成,左右腳 其中J為上 上半部分電 的運(yùn)動(dòng)?雙 峙征類 拿期組 所示. 時(shí)圓的 支悴腳 時(shí)刻1 T時(shí)刻2時(shí)間段?整個(gè)步態(tài)處于單支捋期■右腳支 a ?(h - /.sin。［八 如=arcsinj——；——)+ 掠，左腳經(jīng)歷整個(gè)擺動(dòng)過

15、程?進(jìn)入時(shí)刻2-時(shí)刻3時(shí) 間段■左腳也進(jìn)入支撐，步態(tài)進(jìn)入雙支撐期?至?xí)r刻 arc8in[(&w + Z4 y/kiK - k}K)/k2]. 式中:町=/.( +C -4 -4 +◎加皿“；+2)? 將式(1)中第1、2行兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，解方 程，并寫成矩陣形式，冇 /jcos 0)tec 02l 3時(shí),右腳腳跟已充分抬起■腳尖欲離地;進(jìn)入時(shí)刻3 -時(shí)刻4時(shí)間段■步態(tài)再次進(jìn)入單支撐期■只不過換 作右腳擺動(dòng)，左腳支撐?至4點(diǎn)，右腳腳跟開始看地, 步態(tài)再次進(jìn)入雙支撐期?直至進(jìn)入1’時(shí)刻?左腳腳 跟充分抬起?腳尖欲離地，開始進(jìn)入下一個(gè)步態(tài)周 ?(5) ?2 —/|Sin 9xl

16、4- Z,cos $xtan 02L- 將式(1)中第3、4行兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo),并將式(5)代 入,得左側(cè)步態(tài)機(jī)構(gòu)的速度方程正解： rPw l _ . r/./j/^cos 0,/tan 俎-A$in IpJ " (h ■ W)cg % J 同理，右側(cè)步態(tài)機(jī)構(gòu)速度方程正解： Ml^/ljCOA 仇占n 樂-A$in 0叫 (h?從3心皿樂 I 期?圖3中左右腳的姿態(tài)箭頭，起點(diǎn)表示腳跟?終點(diǎn) 表示腳尖?根據(jù)對(duì)人在跑步機(jī)腳的姿態(tài)的檢測(cè)數(shù)據(jù), 在一個(gè)步態(tài)周期中,協(xié)調(diào)規(guī)律如下：整個(gè)支撐期，由 支撐腳腳跟著地?放平?至腳跟抬起?腳尖欲離地轉(zhuǎn) 后變?yōu)閿[動(dòng)腳■擺動(dòng)腳由腳尖向下至放平到向上■腳

17、? (6) 跟欲著地乘新變?yōu)橹纹?且最大正傾角發(fā)生在腳 跟接觸地面?欲進(jìn)入支撐時(shí)刻,最大負(fù)傾角發(fā)生在腳 尖欲離地進(jìn)入擺動(dòng)期時(shí)刻，腳的姿態(tài)與步態(tài)相位近 似呈余弦關(guān)系. 左腳姿金 2. 2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 由式(2).(4)可得步態(tài)機(jī)構(gòu)速度逆解 片腳茯 雙商左腳支捋Tint i-S i^v C r, C ~ /j/j/ZjCos 0“」an Su - ZjSin Gu * Par (8) 0 壬 . 山-/j/j/^cos dl/?tan 孫 - /|Sin 趴； 根據(jù)式(3)、(4)可解得姿態(tài)機(jī)構(gòu)的逆解為 卩“ =- 2/sZ4cos 61l + 2/a

18、J4din ^7t, 1/鉞=Z/g/^cos 2^g^4 ? 式中:M十 如=紜■ arcsin(上%), 0llt - 0 fn - arcsin(匕人嚴(yán) 歸). 右腳支掙収支冷右御/ 雙支冷 右腳步玄. I I I I 周期I 2 3 4 r 右腳姿態(tài)一* i(r) (9) 圖3往復(fù)步態(tài)時(shí)空特性 Fig. 3 The schematic diagram of gait cycle 由于步態(tài)軌跡已由機(jī)構(gòu)尺寸確定，考慮左右對(duì) 稱且左右腳的運(yùn)動(dòng)只差180。相位，故只需規(guī)劃一側(cè) 腳的水平速度和姿態(tài)即可.人體運(yùn)動(dòng)速度往往具冇

19、 2 ? 191 ? 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào) 第30住 U V.X 鐘形曲線的特點(diǎn)，對(duì)往復(fù)步態(tài)來(lái)說(shuō)，無(wú)論在支撐期還 是擺動(dòng)期都經(jīng)歷從零加速、減速至零的過程,在橢圓 軌跡端點(diǎn)處速度為零，即腳跟著地和腳尖抬起時(shí)水 平速度為零，另外為保證無(wú)沖擊步態(tài),此刻加速度也 應(yīng)為零?故而一個(gè)步態(tài)周期中腳的水平速度可按照 加減速段用正弦西數(shù)模擬，以左腳為例，擺動(dòng)期如式 (】0),支撐期如式(11). Pm(S,")= y[

20、 1 + 8n( y-ir - yj] (0 W f < “， 人(

21、步態(tài)周期獲得. 根據(jù)機(jī)構(gòu)原理，曲柄轉(zhuǎn)過一周，則完成一個(gè)步態(tài) 周期,因此曲柄的轉(zhuǎn)角可以用來(lái)表示步態(tài)的相位?根 據(jù)腳的姿態(tài)與步態(tài)相位間的近似余弦關(guān)系為 擺動(dòng)腳最大負(fù)傾角;8如?為支撐腳鼓大正傾角，則在 一個(gè)步態(tài)周期中?腳的姿態(tài)可規(guī)劃為 如= A * Bancos (12) 式中：* =(仇z +血“)々” =(0如?0“ )/2. 改變式(10)411)和(12)中的 S、",、Z、 仇?、&4*等參數(shù)可模擬具有不同運(yùn)動(dòng)特征的往復(fù)步 態(tài)運(yùn)動(dòng)?這里.設(shè)初始時(shí)刻(<=0),腳踏板的初始狀 態(tài)為左踏板位登位于1點(diǎn)，右踏板位于4點(diǎn),踏板速 度為零?為使2個(gè)踏板進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)狀態(tài)，先令左踏板不 動(dòng),右踏板由

22、初始位置運(yùn)動(dòng)時(shí)間至1點(diǎn),然后啟 動(dòng)左踏板，自此雙踏板進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)狀態(tài). 按照正常人的步態(tài)時(shí)相待征，擺動(dòng)期占猿個(gè)步態(tài) 周期的40%,支撐期占整個(gè)周期的60%,其中單個(gè)雙 支撐期為 10%，取 S =520 mm.T = 1 s.X, =0. 4Tj4 = 0.1 Tjj =0.16 832 =0.24 8,^ =? 30,&z =30, 則規(guī)劃的腳踏板水平速度姿態(tài)角如％如下 圖4、5示. 圖4腳踏板水平速度規(guī)劃曲線 Fig. 4 1})e horizontal velocity planning curves of lhe footplates 圖5腳踏板姿態(tài)規(guī)劃曲線 Fig

23、. 5 The pose planning curves of footplates 4下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 為驗(yàn)i正運(yùn)動(dòng)學(xué)解析寞型的正確性以及步態(tài)規(guī)劃 的可行性，基于matlab/Simulink仿真環(huán)境及其下的 機(jī)構(gòu)仿真工具SimMechanicsl7J,對(duì)該四自由度雙足 步態(tài)機(jī)器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究,仿真流程如圖6所 示?首先根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)公式?在simulink下建立逆運(yùn) 動(dòng)學(xué)模塊,將規(guī)劃好的末端雙足位姿轉(zhuǎn)化為曲柄絲杠 運(yùn)動(dòng)信號(hào),然后輸入基于SiMechnics下建立的機(jī)構(gòu)正 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿貞?模型，并根據(jù)正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程?為模型初始 位姿賦值?仿真結(jié)果如圖7 ~ 11所示.其中圖

24、7 ~8為 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真輸岀的曲柄及絲杠運(yùn)動(dòng)信號(hào).圖9-11 為從SimMechanics正運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)構(gòu)模型傳感器取出的 腳踏板運(yùn)動(dòng)信號(hào).將圖9與圖4,圖10與圖5比較，可 見由機(jī)構(gòu)模型輸出的結(jié)果與規(guī)劃一致,證明運(yùn)動(dòng)學(xué)模 型的正確性?圖11為往復(fù)步態(tài)橢圓軌跡. 值得指出的是該仿真模型還可方便地轉(zhuǎn)化為動(dòng) 力學(xué)模型，用于控制器設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)問題分析. 第2期 張立勣?等:下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 ? 193 ? o-5 50 5 )0 5 0 $ vulul/v Fig. 11 ［取足幷姿規(guī)劃］ 逆運(yùn)動(dòng)模型 8 TSimMechanics 機(jī)材山運(yùn)

25、動(dòng)學(xué)根巾 （A/辦如）| ?跖） 圖6仿真流程圖 Fig. 6 Hie simulation flowchart % —% 圖7左右曲柄轉(zhuǎn)速曲線 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 //$ 圖8左右絲杠位移曲線 Fig. 8 The displacement curves of the screws ( 0^04""OdS0J 1 2 tls 圖9左右腳踏板水平速度仿真曲線 Fig. 9 horizontal velocity curves of footplates in simulation 圖10 &右躺踏板姿態(tài)仿貞曲線

26、 Fig. 10 The pose curves of the footplates in simulation  5結(jié)束 運(yùn)動(dòng)學(xué) 練機(jī) 器人四自由度步態(tài)機(jī)構(gòu)能勢(shì)買現(xiàn)具有不問特征的往 復(fù)步態(tài)運(yùn)動(dòng)?能根據(jù)訓(xùn)練要求提供可調(diào)步長(zhǎng)?步態(tài)周 期?步態(tài)時(shí)相的訓(xùn)練步態(tài)?捷出的步態(tài)規(guī)劃方法避免 了基于測(cè)重?cái)?shù)據(jù)確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)造成的步態(tài)單一, 不可調(diào)?適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)?該方法對(duì)仿人機(jī)器人的 足部運(yùn)動(dòng)規(guī)劃亦有借鑒作用?仿真結(jié)果還可用于步 態(tài)機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)?并為后續(xù)整個(gè)人機(jī)控制系 統(tǒng)研究提供必要數(shù)據(jù)和研究基礎(chǔ). 參考文獻(xiàn)： [1] 王燿兵?于林紅?王廣志?等?腦神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人研究的 進(jìn)展與的最〔J

27、)?中國(guó)廩復(fù)猴學(xué)雜^t2003J8(4)：230- 231. WANG Yaobing. JI Linhong. WANG Guangzhi, et al. Tl)e development and prospect of cranial nervwi rehabilitaion robot [ J ]. Chinese Journal of Rehabilitation Medicine, 20031 18(4)： 230-231 ? [2] FERRIS D Pt SAWICKI G St D0M1NC0 A R? Powered lower limb orthoses for gai

28、t rehabilitation[ J].Topics in Spinal Cord Injury Rchabilitaticn. 2005. 11(2)： 34-49. [3] HESSE S, UHLENBROCK D? A mechanized gait trainer for restoration of gait [ J }? Joumal of Rehabilitation Research and Development 2000, 37(6) ： 701-708? [4JCOIBMBO Gt JOERG Mt SCHREIER R.et al? Treadmill trai

29、ning of paraplegic patients using a robotic orthosis [ J ]? Journal of Rehabilitation Research and Development. 20001 37 (6)：693-700? [5 ] SURDILOVIC Dt ZHANG JIN YU t BERNHARDT R. String-man： Wire-rvbot technology for afc. flexible and humanfriendly gait rehabilitation [ C ]//Proceedings of the 2

30、007 IEEE lOlh International Conference on Rehabilitation Robotics? Noordwijk, Netherlands, 2007? [6]鄭秀環(huán).現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)〔M]?北京：國(guó)防工業(yè)出版 社.2002:399-401. [7 ]黃永安?馬路，劉總救Mat4ib7.0/Simulink 6. 0建模仿真 開發(fā)與高級(jí)工程應(yīng)用[M] ?北京:清華大學(xué)出版社.2007： 262-280? 【責(zé)任編輯:鄭可為] 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 mHnsiB 1 1 1 WANFANGCATA

31、 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷（期）: 被引用次數(shù): 2009 30(2) 張立勛， 張曉超，ZHANG Li-xun, ZHANG Xiao-chao 哈爾濱工程天學(xué)機(jī)電工程學(xué)院黑龍江哈爾濱150001 ISTIC E1|PKU JOURNAL OF HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY 參考文獻(xiàn)（7條） 1. 王耀兵.季林紅.王廣志 腦神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人研究的進(jìn)展與前景［期刊論文］-中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志2003(04) 2. FERRIS D P SAWICKI G S DOMINGO A lowered lower limb

32、 orthoses for gait rehabilitation 2005(02) 3. HESSE SUHLENBROCKZDmechanized gait trainer for restoration of gait 2000(06) 4. COLOMBO GOERG MSCHREIER FTreadmill training of paraplegic patients using a robotic orthosis 2000(06) 5. SURDILOVIC DZHANG JINYUBERNHARDT Slring-man:Wire-robot technology f

33、or safe,flexible and humanfriendly gait rehabilitation 2007 6. 鄭秀瑗現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)2002 7. 黃永安.馬路.劉慧敏Matlab7.0/Simulink 6.0建模仿真開發(fā)與高級(jí)工程應(yīng)用 2007 相似文獻(xiàn)（1條） 1.學(xué)位論文 叢德宏 智能假肢開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)研究 2006 目前，康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)成為國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于戰(zhàn)爭(zhēng)、疾病、工傷、交通事故及意外傷害等原因，致使數(shù)以百萬(wàn)的人失去下肢 ，人們迫切希望通過假肢恢復(fù)截肢者的行走功能，因此在康復(fù)機(jī)器人的家族中，假肢技術(shù)的研究開展的最早，產(chǎn)品也發(fā)展的較為完善

34、。特別是 90年代發(fā)展起來(lái)的用微處理器控制的具有高性能的智能假肢，能根據(jù)外界條件的變化和工作要求，自動(dòng)調(diào)整假肢系統(tǒng)的參數(shù)，使假腿能可靠的工作、運(yùn) 動(dòng)自如。 然而，目前所謂的“智能假肢"并非真正意義上的智能假肢，因?yàn)橹悄芑粌H僅體現(xiàn)在智能化的控制方法上，更重要的是它對(duì)路況和假肢理想步態(tài) 的感知功能。因此，本文提出一種具有路況和步態(tài)感知功能的膝上智能假肢，并對(duì)這種智能假肢研發(fā)過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)。 在詳細(xì)論述智能假肢研究意義、內(nèi)容和方法的基礎(chǔ)上，本文首先給出了智能假肢實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體組成和仿生設(shè)計(jì)。通過對(duì)膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)參數(shù)的多變量 最優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證由智能磁流變液阻尼器控制的四桿封閉鏈仿

35、生膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心及人工腿、智能假肢各關(guān)節(jié)中心點(diǎn)能跟蹤給定軌跡。 智能假肢的數(shù)學(xué)模型是步態(tài)規(guī)劃、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真分析的基礎(chǔ)和依據(jù)。針對(duì)智能假肢的特點(diǎn)，采用分割建模方法建立了智能假肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 。采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法建立了智能假肢在支撐相和擺動(dòng)相時(shí)，帶約束和無(wú)約束的拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型。并從廣義變量、廣義力、約束之間的關(guān) 系，分析了動(dòng)力學(xué)模型的求解方法。 智能假肢的智能化主要體現(xiàn)在感知功能。人體生物運(yùn)動(dòng)學(xué)研究表明，人腿在正常行走過程中步態(tài)穩(wěn)定于最自然、最節(jié)能的步態(tài)形式，當(dāng)行走步速改 變時(shí)，雖然步態(tài)曲線周期和幅值會(huì)改變，但形狀基本相似?；谶@一特點(diǎn)，在步態(tài)檢測(cè)和步態(tài)分析的基礎(chǔ)上，建立了步

36、態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)并存儲(chǔ)于微處理器中。 通過編碼器、電位計(jì)、陀螺儀與壓力傳感器組成的感知系統(tǒng)對(duì)假肢的內(nèi)部狀態(tài)和路況、假肢的理想步態(tài)進(jìn)行感知。將采集的信息經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后傳給微 處理器。微處理器采用離線規(guī)劃加在線調(diào)整的方法來(lái)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，并根據(jù)規(guī)劃好的步態(tài)控制智能假肢膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。 鑒于智能假肢系統(tǒng)研制的復(fù)雜性，利Mo/E, ADAMSMATLAB Simuli建立聯(lián)合仿真平臺(tái)。俺ro/E中建立了異構(gòu)雙腿行走機(jī)器人的三維實(shí)體模型 。通過Mech/Pr接口將模型導(dǎo)入ADAMS形成虛擬樣機(jī)，并在ADA中建立虛擬環(huán)境。在虛擬環(huán)境中對(duì)智能假肢進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真。有力地保證 了機(jī)構(gòu)的合理性?？s短了機(jī)器人研發(fā)周期，并能在一定程度上減少研制的風(fēng)險(xiǎn)。本文重點(diǎn)研究了智能假肢對(duì)路況、步態(tài)的感知以及假肢的步態(tài)規(guī)劃，為 智能假肢的研制打下良好基礎(chǔ)。 本文鏈接： 下載時(shí)間：201（年7月1日