Kinematics and dynamics analysis of lower limb rehabilitation exoskeleton robots

NING Feilong; LI Chengdong; LI Heng; JIANG Jiahao

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.012

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Kinematics and dynamics analysis of lower limb rehabilitation exoskeleton robots

Test·Analysis | 更新时间：2025-09-20

- Kinematics and dynamics analysis of lower limb rehabilitation exoskeleton robots
- Journal of Mechanical Transmission Vol. 49, Issue 9, Pages: 93-101(2025)
- 作者机构：
  
  江苏海洋大学机械工程学院，连云港 222005
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.012
  CLC： TH122
- Received：16 May 2024，
  
  Revised：2024-06-24，
  
  Published：15 September 2025
- 稿件说明：
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宁飞龙，李成栋，李亨，等. 下肢康复外骨骼机器人运动学与动力学分析［J］. 机械传动，2025，49（9）：93-101.

NING Feilong，LI Chengdong，LI Heng，et al. Kinematics and dynamics analysis of lower limb rehabilitation exoskeleton robots［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（9）：93-101.
宁飞龙，李成栋，李亨，等. 下肢康复外骨骼机器人运动学与动力学分析［J］. 机械传动，2025，49（9）：93-101. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.012.

NING Feilong，LI Chengdong，LI Heng，et al. Kinematics and dynamics analysis of lower limb rehabilitation exoskeleton robots［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（9）：93-101. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.012.

摘要

目的

针对现有下肢康复外骨骼机器人适配性不足的问题，设计了一款多部位尺寸可调的外骨骼机器人，探究其运动学与动力学特性，为结构优化和电动机选型提供依据。

方法

基于人体下肢结构特征，采用D-H参数法建立运动学模型，通过拉格朗日方程构建动力学模型，结合Matlab与Adams软件分别进行理论计算与仿真验证，开展空载及带载仿真分析。

结果

机器人左、右两侧运动呈周期性变化且相差半个步态周期，符合人体行走规律；摆动相髋关节驱动转矩不超过60 N·m，膝关节不超过40 N·m，运动平稳，满足设计要求，为控制系统开发及实物研制提供了参考。

Abstract

Objective

Aiming at the problem of insufficient adaptability of existing lower limb rehabilitation exoskeleton robots

a multi-part dimension adjustable exoskeleton robot was designed. Its kinematic and dynamic characteristics were explored to provide a basis for structural optimization and motor selection.

Methods

Based on the structural characteristics of the human lower limbs

a kinematic model was established using the D-H parameter method

and a dynamic model was constructed via the Lagrange’s equation. Theoretical calculations and simulation verification were conducted by combining Matlab and Adams software

and no-load and loaded simulation analyses were carried out.

Results

The movements of the left and right sides of the robot show periodic changes with a half-gait cycle difference

which is consistent with the law of human walking. During the swing phase

the driving torque of the hip joint does not exceed 60 N·m

and that of the knee joint does not exceed 40 N·m. The movement is stable

meeting the design requirements

which provides reference for the development of the control system and the development of physical prototypes.

关键词

Keywords

references

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