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第29卷第11期

2008年11月

l29 .11哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vo.

JournalofHarbinEngineeringUniversity Nov.2008

绳索牵引康复机器人运动误差及仿真分析

王克义,郭 钽,张立勋,刘 攀,徐生林

(哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘 要:绳索牵引康复训练机器人具有柔顺性好的特性,满足人与机器人在同一物理空间时安全性的要求.通过绳索牵引控制骨盆的运动规律,使其与下肢步态运动相协调,同时提高受训者稳定能力.为满足训练效果,需保证骨盆运动精度,由此分析了绳索牵引康复机器人影响骨盆运动精度的因素,即绳索本身的弹性和绳索过轮的半径.依建立的绳索牵引康复机器人模型,得到绳索拉力的表达式,导出系统正逆运动学和动力学方程.分析了在弹性范围内绳索具有的拉伸刚度,明确其对骨盆运动精度的影响;通过不同位置时绳索变化量的方法证明了绳索过轮半径对骨盆运动精度的影响.利用MATLAB的建模仿真,分析了2个因素对骨盆运动精度的不同影响规律,提出了改进方法,得出减重外力对垂直轴加速度误差的影响.该分析为骨盆的控制做准备,同时具有普遍性,可为其他绳索牵引系统提供参考作用.关键词:绳索牵引;位置误差;康复机器人;骨盆运动

中图分类号:TP242.3 文献标识码:A 文章编号:1006 7043(2008)11 1210 06

Thesimulationandmovementerrorsanalysisofwire driven

rehabilitativerobots

WANGKe y,iGUOTan,ZHANGLi xun,LIUPan,XUSheng lin

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HarbinEngineeringUnivrsity,Harbin150001,China)

Abstract:Wire drivenrehabilitativerobotshavegoodcomplianceandmeetsafetyrequirementsinman machineco

operationsystems.Throughwiretractioncontro,lpelvicmotioniscoordinatedwiththemovementofthelowergai,tmprovingtherobotictrainersi'stability.Toeffectivelyproducethetrainingeffec,tthesystemneedstoensureaccu racyofpelvismovemen.tSothefactorsaffectingthemotionaccuracywereanalyzed,includingwireelasticityandtheradiusofwire across whee.lAccordingtothewire drivenrehabilitativerobotmode,ltheexpressionofwireten sionwasbuiltup,boththeforwardandinversekinematicsanddynamicsequationswerederived.Theinfluenceofwiretensilestiffnessontheaccuracyofmovementofthepelviswasanalyzed.Theinfluenceofthewire across wheelradiusonthemovementaccuracyofthepelviswasshownthroughwirechangesinvariouspositionsusingMATLABmodelingsimulation.Twofactorsthataffectthemotionaccuracywereanalyzedandthecorrespondingmethodforimprovingtheaccuracywasproposed.Itwasfoundthattheaccelerationerrorontheverticalaxisisin fluencedbytheoutsideforce.Theanalysisgivesanengineeringbasisforcontrolandisuniversallyapplicabletootherwire drivensystems.Keywords:wire driven;movementerror;rehabilitativerobo;tpelvismovement 由于医学、生理学、生物学的进步和机械学、信息论、控制论等工程技术的发展,人们对人体生命系统的研究进入一个新的发展阶段.同时随着物质生活水平的提高,人们对康复医疗设备提出了更高的要求.综上产生了一种人机合作系统-康复训练机

收稿日期:2007 10 31.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(60575053);高等学校博士学

科点专项科研基金资助项目(20060217024).

作者简介:王克义(1979 ),男,讲师,博士研究生,E mai:lwangkeyi@

hrbeu.edu.cn;

( ),男,教授,.

器人,它能够克服人类由各种因素导致的功能障碍或残疾,使其最大程度地恢复或代偿原有功能,实现最大限度的生活自理,提高生活质量.基于绳索牵引的康复机器人有柔顺性好、占空间小、重量轻等特点,不会与人体产生刚性碰撞、冲击,非常适合于康复机器人的驱动控制.下肢康复训练过程中,控制骨盆的运动规律使其与步态运动相协调,符合正常人步态运动的身体姿态,从而将达到更好的训练效果,同时实现减重作用,克服部分受训者无法对自身躯