经典案例
绳索牵引康复机器人轨迹规划与验证
西安电子科技大学
康复机器人、绳索牵引驱动机器人、运动轨迹规划
人体上肢、多杆结构
8个NOKOV Mars 2H动作捕捉镜头

近年来,疾病和事故引起的运动障碍患者数量不断增加,人们对康复医疗的需求也不断提高,康复机器人得到了迅速的发展。将机器人技术与康复治疗相结合,通过机械结构驱动肢体进行重复运动,从而刺激和重建运动神经系统,可帮助肢体恢复运动功能。

绳索牵引驱动机器人是一种通过绳索代替刚性杆件作为驱动元件的康复机器人。其结构简单,惯性小,机构相对较轻,运动速度也较快,具有较高的负重比率,可实现模块化,具有可重构性,并且制造维护的费用较低,近年来在国内外引起广泛关注。

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西安电子科技大学机电工程学院段清娟副教授团队开发的绳索牵引机器人,以两杆系统模拟上下臂,三杆系统模拟上下臂加手,实验过程中需要以人自然走动时的上肢向前摆动角度范围来规划多杆运动轨迹,团队使用了NOKOV 光学三维动作捕捉系统来测量人走路时上肢向前摆动的角度和上肢长度等参数。实验者的肩关节、肘关节、腕关节和手末端贴上反光标记点(marker点),并在跑步机上自然走动。得到自然状态下上肢数据后便可规划轨迹,多杆系统以垂直于地面为初始位置,首先通过加速再匀速最后减速的规律使多杆位于身前的最高位置即最大角度处停止,然后再以相同的规律返回起始位置。30s 为一个周期,模拟上臂在运动过程中的状态。

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除规划多杆轨迹外,实验团队还对多杆机构配置做了优化,利用蒙特卡罗方法优化电机位置和转动距离,在保证规划的轨迹在力旋量可行工作空间内的前提下使得力旋量可行工作空间最大。使用已经优化出的配置,搭建两杆机构和三杆机构进行实验。用NOKOV 光学三维动作捕捉系统测出实际轨迹,用传感器测出绳索拉力,与计算出的轨迹与拉力理论值对比,验证了优化方法的正确性。

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