下肢外骨骼矫形器运动学分析-上海大学学报.pdfVIP

第１６卷 第２期 上 海 大 学 学 报 （自然 科 学 版） Ｖｏｌ．１６Ｎｏ．２ ２０１０年４月 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥ） Ａｐｒ．２０１０ 　　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７２８６１．２０１０．０２．００５　 下肢外骨骼矫形器运动学分析 余伟正，　钱晋武，　冯治国，　章亚男，　沈林勇 （上海大学 机电工程与自动化学院，上海２０００７２） 摘要：基于减重步行训练原理，研究下肢外骨骼矫形器康复系统．针对下肢康复训练机器人不存在固定基座，利用 常规的方法进行运动学分析较困难的问题，引入参考坐标系的坐标变换矩阵，建立下肢康复训练机器人运动学模 型，推导出步行训练机器人正逆运动学公式．最后规划步态轨迹，利用ＡＤＡＭＳ软件进行运动学仿真和双腿外骨骼 矫形器样机试验，验证了运动学模型及其推导公式的正确性． 关键词：外骨骼矫形器；运动学；机构 中图分类号：ＴＰ２４　　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　　文章编号：１００７２８６１（２０１０）０２０１３００５　 ＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬｏｗｅｒＬｉｍｂＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＯｒｔｈｏｓｉｓ ＹＵＷｅｉｚｈｅｎｇ，　ＱＩＡＮＪｉｎｗｕ，　ＦＥＮＧＺｈｉｇｕｏ，　ＺＨＡＮＧＹａｎａｎ，　ＳＨＥＮＬｉｎｙｏｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔａｌｏｒｔｈｏｓｉｓｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｂｏｄｙｗｅｉｇｈｔｓｕｐｐｏｒｔｔｒａｉｎｉｎｇ． Ｂｅｃａｕｓｅｌｏｗｅｒｅｘｔｒｅｍｉｔｙｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｔｒａｉｎｉｎｇｒｏｂｏｔｄｏｅｓｎｏｔｈａｖｅａｆｉｘｅｄｂａｓｅ，ｉｔｉｓｈａｒｄｔｏｕｓｅｃｏｍｍｏｎ ｍｅａｎｓｆｏｒｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｍａｔｒｉｘｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓａｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｏｒｔｈｏｓｉｓ，ａｎｄｄｅｒｉｖｅｓｋｉｎｅｍａｔｉｃｆｏｒｍｕｌａｅｏｆ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔｓｆｏｒｌｏｗｅｒｅｘｔｒｅｍｉｔｙ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎＡＤＡＭＳａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｅｘｏｓｋｅｌｅｔａｌｏｒｔｈｏｓｉｓ ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓａｒｅｃｏｒｒｅｃｔａｆｔｅｒｇａｉｔｐｌａｎｎｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｏｓｋｅｌｅｔａｌｏｒｔｈｏｓｉｓ；ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 　　中枢神经系统疾病，如脊髓损伤（ｓｐｉｎａｌｃｏｒｄ 下肢康复机器人融合了康复医学、仿生学复杂 ｉｎｊｕｒｙ，ＳＣＩ）、脑卒中等，常导致患者下肢步行能力受 动力学系统建模、多传感器信息系统以及控制工程 损，严重影响患者日常工作生活．所以，提高患者步 等诸多学科，己成为国内外机器人领域研究热点．自 ［１］ 行能力成为全球性康复医疗难题 ．手动减重步行 ２０世纪９０年代初期以来，国内外研究者已经研发 训练（ｂｏｄｙｗｅｉｇｈｔｓｕｐｐｏｒｔｔｒａｉｎｉｎｇ，ＢＷＳＴ）是治疗这 出一系列的下肢康复机器人．瑞士ＨＯＣＯＭＡ公司的 类问题的重要手段之一．但由于这种训练方法存在 Ｌｏｋｏｍａｔ是一种主动式的外骨骼矫形器，能够带动患 局限性，如训练时间短、对治疗师体能要求高等，导 者在跑步机上进行训练［２３］；德国柏林自由大学的