CN109726511B

CN109726511B - 基于ug和adams步态康复机器人关节角度确定方法

Info

Publication number: CN109726511B
Application number: CN201910064520.1A
Authority: CN
Inventors: 蒲明辉; 余蔚; 赵倩倩; 陈琳; 梁旭斌
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2039-01-23
Also published as: CN109726511A

Abstract

本发明公开一种基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法，步骤包括：(1)在UG中建立步态康复机器人模型并将模型简化后导入ADAMS中；(2)在ADAMS中对步态康复机器人的大小腿腿长进行参数化设计；(3)对步态康复机器人施加约束；(4)根据步态康复机器人的运动模式确定小腿末端的轨迹方程；(5)建立点驱动，并将轨迹方程添加到点驱动的驱动函数中，进行关节角度的求解；(6)对求解的关节角度数据进行验证。本发明实现了步态训练康复机器人大小腿腿长的参数化设计，可以获得适应不同患者的关节角度数据，实现个性化治疗。

Description

基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法

技术领域

本发明属于康复医疗机械领域，涉及一种基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法。

背景技术

随着我国人口老龄化加剧、脑卒中等严重影响人体运动机能的发病率不断攀升，以及下肢功能障碍人数不断增加，步态康复机器人在重塑患者行动能力、提高康复训练效果等方面有着较重要的意义和临床应用背景。步态康复机器人的主要功能是对具有各种运动功能损伤的患者进行康复训练，帮助患者在大脑中重塑运动神经记忆，从而使患者慢慢恢复自理运动能力，提高生活质量。在这样的背景下，步态康复机器人作为一种康复治疗的工具，得到了快速的发展。

但是，我国目前在步态康复机器人方面的研究仍然处于起步阶段，远未达到个性化、自动化和智能化，其中在步态方面的研究更是研制康复机器人亟待解决的关键问题。在康复训练过程中，已知机构原动件运动规律求患肢运动规律，是步态训练康人的复机器人运动学正分析；已知患肢运动规律求机构原动件的运动规律，是运动学逆分析。实现步态训练康复机器运动控制，一般是先由患肢关节的活动要求制定康复训练轨迹，对机构进行逆分析，从而推导出原动件的运动规律；接着由正分析推导出患肢的脚部运动速度和运动轨迹，并与期望值相比较，求其偏差，以调整控制策略。可见，运动学分析是机构仿真分析和机构控制的基础，为制定康复训练计划提供重要依据。目前步态康复机器人的步态获取通常是通过进行实验的手段来完成，价格昂贵，周期久，数据处理繁杂。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前步态康复机器人步态研究技术的不足，提出一种基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法，其可实现步态康复机器人大小腿腿长的参数化设计，获得适应不同患者的关节角度数据，实现个性化治疗。

本发明提供的一种基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法，是在给患者制定康复治疗方案并确定患者的训练模式之后，已知小腿末端轨迹的情况下的一种步态康复机器人关节角度值的求解方法。

本发明提供的一种基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法，可以进行适应个体化的参数调节，针对不同的患者，可以获得不同的关节角度数据，实现个性化治疗。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法，包括以下步骤：

步骤一：建立步态康复机器人模型：在UG环境中建立步态康复机器人模型，并将UG中的步态康复机器人模型进行简化，删掉对步态康复机器人运动学没有影响的特征，然后将简化模型转换成*.X_T格式导入到ADAMS中；

步骤二：在ADAMS中对步态康复机器人简化模型进行参数化设计：通过定义设计变量Design Variable，实现输入变量的参数化，所述输入变量包括大腿腿长和小腿腿长；

步骤三：在ADAMS中对步态康复机器人参数化模型添加约束：首先，建立步态康复机器人的机身坐标系，以水平放置的步态康复机器人床板的中心为全局坐标系的中心，沿着小腿杆的方向为X方向，Y方向垂直于床板竖直向下，重力方向沿着Y轴正方向，XY平面为步态康复机器人的运动方向；其次，在步态康复机器人右髋关节旋转轴中心处建立一个标记点Marker1,其方向与步态康复机器人的全局坐标系的方向一样，在Marker1处建立一个旋转副Joint1,旋转副Joint1绕着全局坐标系的Z轴顺时针旋转，髋关节在全局坐标系XY平面摆动；然后，在步态康复机器人右膝关节旋转轴中心处建立一个标记点Marker2,其方向与步态康复机器人的全局坐标系的方向相同，在Marker2处建立一个旋转副Joint2，旋转副Joint2绕着全局坐标系的Z轴顺时针旋转，与旋转副Joint1的方向一样，膝关节在全局坐标系XY平面摆动；最后，由于步态康复机器人的左右肢的运动机理基本相同，所以左髋关节的建模方法和右髋关节的建模方法相同，左膝关节的建模方法和右膝关节的建模方法相同；

步骤四：确定步态康复机器人小腿末端轨迹方程：步态康复机器人有多种运动模式，运动模式的选择决定小腿末端的轨迹，小腿末端轨迹方程由小腿末端的轨迹确定；当步态康复机器人的腿部在XY平面内运动时，所述小腿末端轨迹方程是关于X和Y的参数方程；

步骤五：步态康复机器人关节角度的求解：在步态康复机器人小腿末端处添加一般点驱动，根据小腿末端轨迹方程设置一般点驱动的参考点，选择驱动类型为位移驱动，将所述步骤四中的参数方程分别添加到一般点驱动X和Y方向的驱动函数中，进行仿真求解，得到髋关节和膝关节的关节动态角度数据，并将从ADAMS后处理导出的髋关节和膝关节动态角度数据由角度制换算为弧度制后转换为文本文件格式；

步骤六：对求解出的关节角度数据进行验证：首先，失效所述步骤五中小腿末端处的一般点驱动，并在髋关节的旋转副处添加一个旋转驱动，在膝关节的旋转副处添加一个旋转驱动，将髋关节txt格式的关节角度数据以B样条曲线的形式添加到的髋关节的驱动函数中，将膝关节txt格式的关节角度数据以B样条曲线的形式添加到膝关节的驱动函数中；最后，进行仿真分析，并追踪小腿末端的轨迹，判断小腿末端的轨迹是否与规划的轨迹相同。

进一步地，所述步骤二中对步态康复机器人简化模型进行参数化设计，是将不同病患的大腿和小腿的实际长度作为输入变量。

进一步地，所述步骤三中运动模式至少包括圆周运动模式、椭圆运动模式、圆弧运动模式和直线运动模式；所述运动模式决定所述步骤四中步态康复机器人小腿末端的轨迹；因运动模式不同所产生的步态康复机器人小腿末端轨迹也会不一样；所述步态康复机器人小腿末端的轨迹至少包括圆周、椭圆、圆弧和直线。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用ADAMS运动学仿真分析求解出了步态康复机器人的步态运动学数据并进行了验证，所求运动学数据可以用于步态康复机器人的运动控制，无需进行大量实验，极大地节约了步态康复机器人的研发成本。

(2)由于在UG中建立的完整的步态康复机器人的三维模型过于复杂，零件过于繁多，为了在ADAMS中进行精确的动力学仿真，适当的对三维模型进行简化，但必须简化模型不能对仿真结果造成影响。

(3)通过ADAMS的参数设计分析，可以进行适应个体化的参数调节，针对不同的患者，可以获得准确的关节角度数据，实现个性化治疗。

附图说明

图1为本发明基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法的流程图；

图2为本发明一种具体实施例结构示意图；

附图中：1-大腿；2-床身；3-小腿。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明步态康复机器人下肢关节示意图参见附图2。

一种基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法，具体包括：基于UG的步态康复机器人整体三维模型(A)、基于ADAMS的步态康复机器人简化虚拟样机模型(B)、基于ADAMS的步态康复机器人运动学模型(C)。

1.在UG中建立步态康复机器人的整体三维模型

步态康复机器人主要包括床身翻转机构、左右肢外骨骼调节机构、髋关节膝关节调节机构，同时包括多位姿步态康复机器人的减重机构，髋部调节机构、下肢外骨骼机构的互相协作，能实现适应各种年龄、体型患者的多种位置姿态的康复训练，以帮助不同康复阶段的患者获得最优的康复训练效果和减少康复所需时间。

将步态康复机器人的三维模型进行简化，删掉对步态康复机器人运动学没有影响的特征，然后将步态康复机器人简化模型转换成*.X_T格式导入到ADAMS中。

2.在ADAMS中进行参数化设计

在ADAMS中对步态康复机器人简化模型进行参数化设计；通过定义设计变量Design Variable，用于实现输入变量的参数化，所述输入变量包括大腿腿长和小腿腿长。

3.在ADAMS中进行约束建模。

建立步态康复机器人的机身坐标系，以步态康复机器人床板的中心为全局坐标系的中心，X方向水平向右，Y方向竖直向下，参见附图2中坐标系的方向。重力方向沿着Y轴正方，XY平面为步态康复机器人的运动方向。根据步态康复机器人各个部件之间的连接关系建立固定副，在髋关节和膝关节处建立旋转副。步态康复机器人的左右肢运动机理一样，故以右肢为例进行约束建模以及运动学求解。在步态康复机器人右髋关节旋转轴中心处建立一个标记点Marker1,其方向与步态康复机器人的全局坐标系的方向一样，在Marker1处建立一个旋转副Joint1,旋转副Joint1的方向为顺时针，髋关节在XY平面摆动；在步态康复机器人右膝关节旋转轴中心处建立一个标记点Marker2,其方向与步态康复机器人的全局坐标系的方向一样，在Marker2处建立一个旋转副Joint2，旋转副的方向为顺时针，与旋转副Joint1的方向一样，膝关节在XY平面摆动。

4.写出小腿末端的轨迹方程

步态康复机器人有多种运动模式，运动模式的选择决定小腿末端的轨迹，步态康复机器人不同的运动模式，产生小腿末端的轨迹不一样，步态康复机器人小腿末端的轨迹一般有圆周、椭圆、圆弧、直线模式。步态康复机器人小腿末端处的轨迹不同，写出来的轨迹方程也不同。

以步态康复机器人小腿末端处的轨迹是一个半径为180mm的圆周为例，写出其参数方程。定义该180mm的圆周的轨迹方程的坐标系为坐标原点在小腿末端处，X方向水平向左，与步态康复机器人的全局坐标系X方向相反，Y方向竖直向下，与全局坐标系Y方向相同，周期为12s，小腿末端的轨迹参数方程应为：

5.进行运动学求解

在步态康复机器人小腿末端处添加一个一般点驱动，设置点驱动参考点的坐标系与小腿末端处的轨迹方程的坐标系方向一致，将x和y关于t的轨迹参数方程分别添加到点驱动的X和Y自由度的驱动函数中，步态康复机器人只在XY平面运动，Z方向默认为0。在添加完一般点驱动的驱动函数之后，进行运动学仿真，求解出关节角度数据。

6.对结果进行验证

将从ADAMS后处理中导出的髋关节和膝关节的角位移数据进行单位换算，转换为弧度制的单位，以txt格式的文件导入ADAMS中。将在小腿末端处添加的点驱动失效，并在髋关节和膝关节的旋转副处各添加一个旋转驱动，将髋关节和膝关节txt格式的角位移数据以B样条曲线的形式分别添加到的髋关节和膝关节的驱动函数中。最后，进行运动学仿真，并追踪小腿末端的轨迹，判断小腿末端的轨迹是否与步态康复机器人运动模式所决定的轨迹一致。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法，其特征在于，所述步骤二中对步态康复机器人简化模型进行参数化设计，是将不同病患的大腿和小腿的实际长度作为输入变量。

3.如权利要求1所述的一种基于UG和ADAMS步态康复机器人关节角度确定方法，其特征在于，所述步骤三中运动模式至少包括圆周运动模式、椭圆运动模式、圆弧运动模式和直线运动模式；所述运动模式决定所述步骤四中步态康复机器人小腿末端的轨迹，运动模式不同所产生的步态康复机器人小腿末端轨迹也会不一样；所述步态康复机器人小腿末端的轨迹至少包括圆周、椭圆、圆弧和直线。