针对上肢外骨骼康复机器人功能单一、拟人化程度低及对侧互换不便的问题,基于人体解剖学,呈模块化设计了一种10自由度外骨骼康复机器人;在6个主动自由度基础上,增加4个被动自由度,既可满足多关节组合训练,又可提升其柔顺性和普适性。介绍了10自由度外骨骼上肢康复机器人的结构与特点;通过D-H法,建立运动学方程,结合Robotics Toolbox验证了运动方程的正确性;在Adams中运用Step函数获得末端质心连续平稳的运动轨迹;最后,利用蒙特卡洛法将获得的工作空间云图与人体手臂末端运动范围进行对比,验证了其工作范围的合理性。研究表明,该外骨骼康复机器人结构设计方案与数学模型可行且正确。

基于被动行走原理,建立了被动两杆行走模型,推导了系统动力学方程并进行了数值求解。在此基础上,设计了4种能量转化模块及被动助力关节。结合人体工程学,设计了无动力外骨骼结构并进行了运动学仿真。利用理论研究成果,加工了原理样机,进行了相关测试及实验。

无动力外骨骼助力机器人具有无能耗、成本低、使用便捷等优势,可广泛应用于工业制造、医疗康复等多个领域。系统阐述了无动力外骨骼助力机器人的定义与分类,介绍了助力原理;绘制了国内外典型无动力外骨骼助力机器人机构运动简图并简述了相应的结构原理;最后根据调研结果归纳了现阶段存在的不足、需要突破的关键技术等。对于无动力外骨骼助力机器人的研究与应用具有一定的参考价值。

基于人体行走的基本规律,针对有行走障碍的老年人等目标人群,结合外骨骼器具的使用条件,设计了两种用于辅助起坐支撑的外骨骼结构装置,同时对比了两种装置的不同之处和使用条件。装置整体采用Arduino单片机控制,主要通过安装在大腿外侧的舵机提供动力,同时安装有多个传感器装置,提高控制的准确度与灵敏度。这两种外骨骼支撑助力装置将对于外骨骼装置的推广和发展有一定的参考价值。

根据双模式外骨骼的结构和功能特性,建立了能够适应下肢座椅模式和上肢托举模式的外骨骼模型,设计了齿轮啮合形式的制动器部件,对外骨骼结构进行了静力学分析,并利用最小二乘法分别对两种模式不同位姿下位移和应力的最大值和平均值进行了拟合,得到不同位姿下位移和应力的最大值和均值拟合曲线。通过拟合曲线,发现座椅模式在膝关节为0°时出现位移最大值,40°时出现应力最大值;托举模式在肩关节为45°时出现位移最大值,0°时出现应力最大值。最后以座椅模式为例对模型结构进行了拓扑优化,优化后结构质量可减少13.23%。将优化前后位移和应力最大值与均值进行了对比,结果表明,优化后不同位姿下的位移无明显变化,但最大应力得到显著降低。

下肢助力外骨骼机器人可以提供有效负载和支撑,但是目前下肢助力外骨骼机器人的髋关节存在机构单一、自由度少等问题。针对所存在的问题,提出一种可用于下肢助力外骨骼机器人的髋关节并联机构。基于螺旋理论对髋关节并联机构自由度进行分析,运用数值法对髋关节并联机构进行了位置分析,求得了位置逆解和正解。通过ADAMS对髋关节并联机构进行位置仿真,得到的结果符合人正常行走过程中髋关节外展内收-6°~4°以及内旋外旋-2°~3°的变化。用MATLAB对髋关节并联机构位置正解进行算例分析,算例分析结果绕X、Y的角度0°~-13.3069°和0°~5.2375°与仿真结果绕X、Y的角度0°~-13.573°和0°~5.343°基本一致,验证了髋关节并联机构用于下肢助力外骨骼机器人的合理性和可行性。

针对下肢外骨骼机器人在使用过程中,负重重心在矢状面垂直方向上的轨迹波动造成的能量消耗和冲击等问题,在常规双驱动单元外骨骼的髋部和背部设计了一种新型的连杆绳轮机构。该机构使外骨骼所承载的负重在人体重心在矢状面内做波浪形轨迹运动时与之做方向相反的运动,减小负重重心的轨迹波动,增加人体负重行走时的稳定性。在分析人体重心在行走状态下矢状面内的运动轨迹的基础上,确定了新机构的结构方案和尺寸。运用Denavit-Hartenberg方法和连杆设计理论求解出外骨骼在装备和未装备髋背机构时负重的重心轨迹,最后通过ADAMS的运动仿真进行验证,结果表明:这种髋背机构可明显降低负重重心的轨迹波动。

外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，它将人的智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起，可以给人提供额外的动力或能力，增强人体机能。近年来外骨骼机器人的研究开发已经成为一个新的热点，并在军事、科研、工业生产和日常生活中逐步得到了广泛的应用。随着科技的发展，外骨骼机器人技术也在不断发展与创新，具有广阔的应用和发展前景，其发展趋势也将紧随科技创新的步伐。

液压驱动下肢助力外骨骼是一种典型的人机交互类机器人,在跟随人体行进的同时,可提高人的负重能力。为实现最优化的结构设计以降低对系统压强、液压缸尺寸的要求,通过仿生学分析人类正常步行时的步态数据,依据准拟人化设计准则,采用CAD设计软件、数值计算等方法,给出了液压驱动膝关节的设计过程,并通过MATLAB等仿真软件进行了验证。基于确定的模型参数,进行了结构设计及平台搭建,并进行了穿戴试验。仿真及试验结果表明,该方法设计的外骨骼膝关节可以满足步行及负重需求。在负重由10增加为20 kg时,即负重增加一倍时,膝关节的轨迹平均跟踪误差减小了0.05%,跟踪误差最大值增加了20.7%,但是相对于整个膝关节的活动范围,该误差仅占总活动范围的1.2%。该研究为优化液压驱动下肢助力外骨骼提供了参考方法,并可为直线执行器驱动外骨骼其他关节的...

根据已设计出的下肢外骨骼模型以及由公式推出的外骨骼运动特性,设计液压缸的负载轨迹情况;对液压控制系统进行静态特性和动态特性分析,确定出液压系统的参数;通过用Simulink仿真对P控制、PI控制、PID控制3种方法进行比较,最终确定利用PID控制方法驱动下肢外骨骼运动。