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1、青岛大学毕业设计(论文)英文翻译学院：机电工程学院专业：机械工程及自动化姓名：苏明顺2015年06月05日用于康复的下肢外骨骼机器人的三维模拟与运动学分析中国西安交通大学机械工程学院陈江城张晓东朱磊摘要--运动学递推方程是由对康复下肢外骨骼的结构进行分析之后改进的D-H方法建立的.(D-H矩阵全称Denavit-HartenbergMatrix。Denavit和Hartenberg在1955年提出一种通用的方法，这种方法在机器人的每个连杆上都固定一个坐标系，然后用4×4的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆的空间关系。通过依次变换可最终推导出末端执行器相对于基坐标系的位姿，从而建立机器人的运动学方程。
2、)给出逆运动学的数值算法,然后利用MATLAB(MATLAB的名称源自MatrixLaboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力)软件建立外骨骼机器人的三维仿真模型,并在此模型的基础上实现了一个完整步态的三维再现.最后由仿真结果验证逆运动学数值算法的可靠性.以上所
3、有工作为外骨骼机器人三维仿真平台的开发奠定了基础.关键词：运动学分析；康复；下肢外骨骼机器人；三维仿真一引言康复机器人将机器人技术应用到康复工程,体现了康复医学和机器人技术的结合.这是目前机器人领域的研究热点.对步态模拟控制系统的控制,下肢康复机器人可以模拟正常人的行走姿势.帮助有行走残疾的患者做康复训练,帮助他们恢复神经和肌肉功能.相比于传统的人工下肢康复训练方法,机电设备帮助患者完成重复性的行走运动,可以使教练从繁重的工作中解脱出来,显示出强大优势.目前,下肢康复机器人大致可分为两类:下肢外骨骼动力和足底驱动踏板式.外骨骼的步态模拟能力直接影响患者的康复效果,它依赖于合理的结构设计和步态规
4、划与控制方法.在结构的设计中,外骨骼不仅在形状而且在功能上应拟合人体工程学,从而使外骨骼可以产生与人体下肢相同的姿势.在步态生成方面,还需要有效的步态规划和控制算法.然而,外骨骼系统是一个高层次、强耦合、非线性、多自由度的复杂线性系统,对系统的设计和运动控制带来了困难.建模与仿真为系统的发展提供有效的辅助系统,模拟结果可以验证系统设计的正确性,运动规划和控制算法的有效性.在本文中,我们进行了外骨骼机器人的运动学分析,实现了在MATLAB环境下运动的三维可视化.他为整个外骨骼系统仿真平台的发展奠定了基础.二相关作品仿真是机器人研究的一个重要组成部分,最成功的例子是日本学者,HirohisaHir
5、ukawa,FumioKanehiro等人,通过使用三维仿真平台开发了两种双足机器人HRP-1和HRP-2.应该在建设机械系统的虚拟样机模型前,设立一个严格的数学模型和物理模型.下肢外骨骼是一个复杂的多自由度系统.为了便于对其进行分析,有必要简化机器人的动力学结构.早期的简化模型是策划链路模型,如五联动模式,七联动模式和九联动模式.向前运动和横向运动之间的耦合在这些模型中是被忽视的.另一种比较成功的模式是3D倒立摆.但这种模式不适合步态规划.并且,对于外骨骼机器人的仿真,几个建模和仿真软件的应用使模拟过程存在大量的数据交换.在本文中,使用的是三维联动模式,仿真用的是MTALAB.三外骨骼结构分
6、析外骨骼机器人的设计遵循结构和功能仿生的原理,它有两条增压机械腿,两脚通过重力与地面接触.还有宽度可调整的腰环与平衡支撑相连接.机械腿由髋模块,膝盖模块,大腿连接模块和小腿连接模块组成.外骨骼康复机器人的典型代表是瑞士步行康复机器人系统LOKOMAT和荷兰下肢力量骨头LOPES.LOKOMAT外骨骼系统的每条腿包括两个转动关节，包括髋关节和膝关节.关节的运动是由滚珠丝杠与独立的电机来实现的.踝关节是由步进电机控制的.与之相反,LOPES有更多的自由度,在髋关节上有两个自由度:屈/伸，外展/内收.膝盖有一个自由度:屈/伸,盆骨有一个自由度:向上/向下,一共有七个自由度.然而,通过对人体下肢的机理
7、分析我们可以发现,人类下肢包含12个自由度.分别是臀部的弯曲/伸展，外展/内收,内旋/外旋，膝关节的屈曲/伸展运动，踝关节的屈曲/延伸和拓展/内收.因此,现有的康复外骨骼结构要更好的模拟人类运动的三维步态,就必须增加更多的自由度.四运动学建模与分析外骨骼机器人运动学分析是移动位置与姿势分析和步态规划的基础,包括正运动和反运动.正向运动学用来在给定相对位置和关节变量参数的情况下找到位置,速度,加速度
