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工程设计学报
工程设计学报  2022, Vol. 29 Issue (6): 695-704    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.070
优化设计     
牵引式下肢康复机器人机构参数优化及轨迹规划
张鹏程1,2(),牛建业3(),刘承磊1,2,宋井科1,2,王立鹏3,张建军1,2
1.河北工业大学 机械工程学院，天津 300401
2.河北省机器人感知与人机融合重点实验室，天津 300401
3.燕山大学 河北省并联机器人与机电系统重点实验室，河北 秦皇岛 066004
Mechanism parameter optimization and trajectory planning of traction lower limb rehabilitation robot
Peng-cheng ZHANG1,2(),Jian-ye NIU3(),Cheng-lei LIU1,2,Jing-ke SONG1,2,Li-peng WANG3,Jian-jun ZHANG1,2
1.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China
2.Hebei Provincial Key Laboratory of Robot Perception and Human-Machine Fusion, Tianjin 300401, China
3.Hebei Provincial Key Laboratory of Parallel Robots and Electromechanical Systems, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China
 全文: PDF(2706 KB)   HTML
摘要：

为满足下肢运动功能障碍患者在不同阶段的康复训练需求，针对现有下肢康复机器人训练方式单一的问题，提出了一种可实现卧姿、坐姿训练模式的牵引式下肢康复机器人。首先，根据人体下肢运动机理和仿生原理，设计了一种五自由度混联机构构型。然后，建立了机器人的运动学模型，分别计算了其运动学正、逆解。接着，以人体下肢末端与机器人末端的工作空间重合度为目标函数，采用遗传算法对机器人的机构参数进行了优化，并求得人机系统矢状面内人体下肢的有效工作空间比为0.71。最后，规划了CPM（continuous passive motion，连续被动运动）、圆周运动和螺旋运动等3种康复训练运动轨迹，并根据优化后的机构参数搭建了机器人样机，通过运动捕捉实验验证了机器人结构设计与优化结果的合理性以及轨迹规划的正确性，表明该机器人能够满足下肢运动功能障碍患者的康复需求。
关键词： 下肢康复机器人;  运动学分析;  参数优化;  轨迹规划    
Abstract:

In order to meet the rehabilitation training needs of patients with lower limb motor dysfunction at different stages, a traction lower limb rehabilitation robot that could realize the training modes of lying and sitting postures was proposed in view of the single training mode of existing lower limb rehabilitation robots. Firstly, according to the motion mechanism and bionic principle of human lower limbs, a five-degree-of-freedom hybrid mechanism configuration was designed. Then, the kinematics model of the robot was established, and the forward and inverse kinematics solutions were calculated, respectively. Then, taking the workspace coincidence degree between the end of human lower limb and the end of robot as the objective function, the mechanism parameters of robot were optimized by the genetic algorithm, and the effective workspace ratio of human lower limb in the sagittal plane of the human-machine system was 0.71. Finally, three kinds of rehabilitation training trajectories including CPM (continuous passive motion), circular motion and spiral motion were planned, and a robot prototype was built according to the optimized mechanism parameters. Through motion capture experiments, the rationality of the robot structure design and optimization results and the correctness of trajectory planning were verified, which indicated that the robot could meet the rehabilitation needs of patients with lower limb motor dysfunction.
Key words: lower limb rehabilitation robot    kinematics analysis    parameter optimization    trajectory planning
收稿日期: 2022-01-17 出版日期: 2023-01-06
CLC:  TH 112  
基金资助: 国家自然科学基金面上项目(52075145);河北省自然科学基金面上项目(E2020103001);中央引导地方科技发展资金基础研究项目(206Z1801G)
通讯作者: 牛建业     E-mail: pengchengz1021@163.com;jyniu@ysu.edu.cn
作者简介: 张鹏程（1996—），男，河北石家庄人，硕士生，从事康复机器人研究，E-mail: pengchengz1021@163.com，https://orcid.org/0000-0001-9283-5934
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张鹏程
牛建业
刘承磊
宋井科
王立鹏
张建军

引用本文:

张鹏程,牛建业,刘承磊,宋井科,王立鹏,张建军. 牵引式下肢康复机器人机构参数优化及轨迹规划[J]. 工程设计学报, 2022, 29(6): 695-704.

Peng-cheng ZHANG,Jian-ye NIU,Cheng-lei LIU,Jing-ke SONG,Li-peng WANG,Jian-jun ZHANG. Mechanism parameter optimization and trajectory planning of traction lower limb rehabilitation robot[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(6): 695-704.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.070    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I6/695

图1  牵引式下肢康复机器人机构简图及三维模型
图2  牵引式下肢康复机器人机构运动学坐标系
图3  人机系统坐标系
关节运动形式活动范围/（°）
髋关节矢状面：屈伸0~50
水平面：内收外展-20~20
膝关节矢状面：屈伸0~90
表1  人体髋膝关节康复训练角度
图4  各转角范围对机器人工作空间的影响
参数l1l2l3l4l5
数值400.26351.2490.4743.54150
表2  优化后的机器人机构参数 (mm)
图5  人机系统工作空间
图6  人机系统矢状面工作空间区域
图7  卧姿康复训练实验现场
图8  坐姿康复训练实验现场
图9  CPM训练轨迹下人体髋、膝关节运动角度对比
图10  圆周运动训练轨迹下人体髋、膝关节运动角度对比
图11  螺旋运动训练轨迹下人体髋、膝关节运动角度对比
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