辅助起立机器人人体运动学建模和试验的研究.pdfVIP

第３５卷第２期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 哈　 尔　 滨　 工　 程　 大　 学　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｖｏｌ．３５ №．２ ２０１４年２月　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｆｅｂ．２０１４ 辅助起立机器人人体运动学建模与试验研究 １ １ ２ 王志强 ，姜洪源 ，ＫＡＭＮＩＫ Ｒｏｍａｎ （１．哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 １５０００１；２．卢布尔雅那大学机器人实验室，卢布尔雅那 １０００） 摘　 要：为分析和研究起立机器人辅助站立过程中人体下肢关节的运动学参数，通过分析人体起立过程，利用拉格朗日 方程和汉密尔顿原理，推导人体起立运动学方程并在Ｍａｔｌａｂ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中建立模拟平台。 对起立机器人辅助患者起立时 关节角度变化进行模拟与试验研究，模拟和试验结果证明了所建模型可有效预测起立关节角。 并对机器人辅助患者完 成起立时，患者各关节运动轨迹和运动学参数进行测试，为起立机器人位置控制与患者起立过程力学研究奠定基础。 关键词：人体运动学；辅助起立机器人；关节运动；运动学模型；人体起立 ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００６⁃７０４３．２０１２１２０２４ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ ｋｃｍｓ／ ｄｏｉ／ １０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００６⁃７０４３． ２０１２１２０２４．ｈｔｍｌ 中图分类号：Ｒ４９６　 文献标志码：Ａ　 文章编号：１００６⁃７０４３（２０１４）０２⁃０２３３⁃０５ Ｈｕｍａｎ⁃ｂｏｄｙ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａｎ ａｓｓｉｓｔｉｖｅ⁃ｓｔａｎｄｉｎｇ⁃ｕｐ ｒｏｂｏｔ １ １ ２ ＷＡＮＧＺｈｉｑｉａｎｇ ，ＪＩＡＮＧ Ｈｏｎｇｙｕａｎ ，ＫＡＭＮＩＫ Ｒｏｍａｎ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ；２． Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｌｊｕｂｌｊａｎａ，Ｌｊｕｂｌｊａｎａ １０００，Ｓｌｏｖｅｎｉａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ ｔｈｅｌｏｗｅｒ⁃ｌｉｍｂｊｏｉｎｔｓｏｆ ｔｈｅｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｄｕｒｉｎｇｔｈｅ ｓｉｔ⁃ｔｏ⁃ ｓｔａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｂｙ ａ ｓｔａｎｄｉｎｇ⁃ｕｐ ｒｏｂｏｔ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｔ⁃ｔｏ⁃ｓｔａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ， ａ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｔ⁃ｔｏ⁃ｓｔａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｗａｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈａｍｉｌｔｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｎｄ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ Ｍａｔｌａｂ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉ⁃ ｍｅｎｔ ｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔａｎｇｌｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｉｔ⁃ｔｏ⁃ｓｔａｎｄｍｏｔｉｏｎｗｈｅｎａｓｔａｎｄｉｎｇ⁃ｕｐ ｒｏｂｏｔ ａｓｓｉｓｔｅｄ ａ ｐａｔｉｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｔ⁃ｔｏ⁃ｓｔａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｊｏｉｎｔ ａｎｇｌｅ ｍａｙ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｐｒｅｄｉｃ⁃ ｔｅｄ ｂｙ ｕｔｉｌｉ