一种绳驱动并联康复机器人空间安全墙分析及回归轨迹规划方法
A Method for Space Safety Wall Analysis and Regression Trajectory Planning of Cable-driven Parallel Rehabilitation Robot
- 机械传动 2021年45卷第2期 页码：16-22
- 作者机构：
1.苏州大学 机电工程学院 江苏省先进机器人技术重点实验室， 江苏 苏州 215021
- 作者简介：
李想（1994— ），男，江苏盐城人，硕士研究生，主要研究方向为康复机器人。
李伟达（1979— ），男，黑龙江伊春人，博士，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向为康复机器人、机电一体化装备。
- 基金信息：国家重点研发计划(2018YFC2001304)
DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2021.02.003
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李想,李伟达,李娟等.一种绳驱动并联康复机器人空间安全墙分析及回归轨迹规划方法[J].机械传动,2021,45(02):16-22.
Li Xiang,Li Weida,Li Juan,et al.A Method for Space Safety Wall Analysis and Regression Trajectory Planning of Cable-driven Parallel Rehabilitation Robot[J].Journal of Mechanical Transmission,2021,45(02):16-22.
李想,李伟达,李娟等.一种绳驱动并联康复机器人空间安全墙分析及回归轨迹规划方法[J].机械传动,2021,45(02):16-22. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2021.02.003.
Li Xiang,Li Weida,Li Juan,et al.A Method for Space Safety Wall Analysis and Regression Trajectory Planning of Cable-driven Parallel Rehabilitation Robot[J].Journal of Mechanical Transmission,2021,45(02):16-22. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2021.02.003.
摘要
在步态康复训练期间，偏瘫或中风患者容易发生肌肉痉挛，从而导致不能支撑自身而失去平衡，造成二次伤害。针对上述问题，设计了一种由8根绳索驱动的6自由度并联康复机器人，不仅能对患者进行步态训练，还能对患者实施有效的防跌倒保护。首先，对机器人构型进行描述，并利用封闭矢量四边形法建立其运动学模型；其次，结合绳索驱动的特性，依据静力学分析，提出一种机器人力控工作空间的概念及其求解方法。为了避免患者失去平衡后受到二次伤害，基于力控工作空间，进一步提出了一种空间轨迹安全墙，对患者可能会出现的待保护位形进行了分类，并分别研究了其回归安全墙内的空间轨迹路径规划方法。最后，选取了两类不同的待保护位形，研究其沿回归轨迹运动时绳索长度和绳索拉力的变化情况，验证了回归安全墙轨迹规划方法的有效性和合理性。
Abstract
During gait rehabilitation training， patients with hemiplegia or stroke are prone to muscle cramps， which can cause them to lose their balance due to their inability to support their weight and cause secondary injuries. In response to the above problems， a six-degree-of-freedom parallel rehabilitation robot driven by eight cables is designed， which can not only perform gait training on patients but also implement effective anti-fall protection for patients. Firstly， the configuration of the robot is described， and its kinematics model is established by using the closed vector quadrilateral method. Secondly， combined with the characteristics of cable-driven， a concept of a robot force control workspace and its solution method are proposed based on the statics analysis. In order to avoid secondary injuries to patients after losing their balance， a space trajectory safety wall is further proposed based on the force-controlled working space， which classified the possible shapes to be protected for patients and studied the space trajectory path planning method for their return to the safety wall. Finally， two different types of to-be-protected profiles are selected to study the changes in cable length and tension as they moved along the regression trajectory which verified the effectiveness and rationality of the trajectory planning method for the return safety wall.
关键词
绳驱动并联机器人力控工作空间空间安全墙
Keywords
Cable-drivenParallel robotForce control workspaceSpace safety wall
references
CHEN B，MA H，YIN L，et al.Recent developments and challenges of lower extremity exoskeletons［J］.Journal of Orthopaedic Translation，2016，5：26-37.
赵雅宁，郝正玮，李建民，等.下肢康复训练机器人对缺血性脑卒中偏瘫患者平衡及步行功能的影响［J］.中国康复医学杂志，2012，27（11）：1015-1020.
ZHAO Yaning，HAO Zhengwei，LI Jianmin，et al.The effect of lokomat lower limb gait training rehabilitation robot on balance function and walking ability inhemiplegic patients after ischemic stroke［J］.Chinese Journal of Rehabilitation Medicine，2012，27（11）：1015-1020.
ZHAO L Y，ZHANG L X，WANG L，et al.Three dimensional motion of the pelvis during human walking［C］//Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics & Automation，July 29-August 1，2005，Niagara Falls，Canada.New York：IEEE，2005：335-339.
张立勋，邹宇鹏，隋立明，等.宇航员康复训练机器人自抗扰力控制［J］.机器人，2012，34（2）：217-222.
ZHANG Lixun，ZOU Yupeng，SUI Liming，et al.Auto disturbance resistance control of the astronaut rehabilitation training robot［J］.Robot，2012，34（2）：217-222.
曹凌，唐晓强，王伟方.基于定矢量力输出的八索并联机构索力优化及实验研究［J］.机器人，2015，37（6）：641-647.
CAO Ling，TANG Xiaoqiang，WANG Weifang.Tension optimization and exper-imental research of parallel mechanism driven by 8 cables for constant vector force output［J］.Robot，2015，37（6）：641-647.
王伟方，唐晓强，邵珠峰.八索立式储罐并联机器人设计及性能优化［J］.机械工程学报，2016，52（9）：1-8.
WANG Weifang，TANG Xiaoqiang，SHAO Zhufeng.Design and analysis of a wire-driven parallel mechanism for large vertical storage tank［J］.Journal of Mechanical Engineering，2016，52（9）：1-8.
宋达，张立勋，王炳军，等.柔索牵引式力觉交互机器人控制策略［J］.机器人，2018，40（4）：440-447.
SONG Da，ZHANG Lixun，WANG Bingjun，et al.The control strategy of flexible cable driven force interactive robot［J］.Robot，2018，40（4）：440-447.
张立勋，李来禄，姜锡泽，等.柔索驱动的宇航员深蹲训练机器人力控与实验研究［J］.机器人，2017，39（5）：733-741.
ZHANG Lixun，LI Lailu，JIANG Xize，et al.Force control and experimental study of a cable-driven robot for astronaut deep squat training［J］.Robot，2017，39（5）：733-741.
禹润田，方跃法，郭盛.绳驱动并联踝关节康复机构设计及运动性能分析［J］.机器人，2015，37（1）：53-62.
YU Runtian，FANG Yuefa，GUO Sheng.Design and kinematic performance analysis of a cable-driven parallel mechanism for ankle rehabilitation［J］.Robot，2015，37（1）：53-62.
CONG B P，SONG H Y，YANG G L.Force-closure workspace analysis of cable-driven parallel mechnanisms［J］.Mechanism and Machine Theory，2005，41（1）：53-69.
XU W．Nonlinear control for cable robot systems with unidirectional actuation［D］.Athens：Ohio University，2008：13-15．
TANG X Q，TANG L W，WANG J S，et al.Workspace quality analysis and application for completely restrained 3-DOF planar cable-driven parallel manipulators［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27（8）：2391-2399.
POTT A，BRUCKMANN T，MIKELSINS L.Closed-form force distribution for parallel wire robots［C］//KECSKEMÉTHY A，MÜLLER A.Computational Kinematics：Proceedings of the 5th International Workshop on Computational Kinematics.Berlin：Springer-Verlage，2009：25-34.
SURDILOVIC D，ZHANG J，BERNHARDT R.STRING-MAN：Wire-robot technology for safe，flexible and human-friendly gait rehabilitation［C］//Proceedings of the International Conference on Rehabilitation Robotics，June 13-15，2007，Noordwijk，Netherlands.New York：IEEE，2007：446-453.
PARK E J，KANG J，SU H，et al.Design and preliminary evaluation of a multi-robotic system with pelvic and hip assistance for pediatric gait rehabilitation［C］//Proceedings of the 2017 International Conference on Rehabilitation Robotics （ICORR），June 17-20，2017，QEII Centre，London，UK.New York：IEEE，2017：332-338.
马光伟，郭帅，程泓井，等.下肢康复训练机器人腰部机构建模与运动学仿真研究［J］.中国康复医学杂志，2014，29（2）：145-149.
MA Guangwei，GUO Shuai，CHENG Hongjing，et al.A research on the modeling and kinematics simulation of lower limbs rehabilitation training robot's waist mechanism［J］.Chinese Journal of Rehabilitation Medicine，2014，29（2）：145-149.
陈桥，訾斌，孙智，等.柔索驱动并联腰部康复机器人设计、分析与试验研究［J］.机械工程学报，2018，54（13）：126-134.
CHEN Qiao，ZI Bin，SUN Zhi，et al.Design，analysis and experimrntal study of a cable-driven parallel waist rehabilitation robot［J］.Journal of Mechanical Engineering，2018，54（13）：126-134.
王克义.绳索牵引骨盆运动控制康复机器人研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009：22-32.
WANG Keyi.Research on wire-driven pelvis motion control robot［D］.Harbin：Harbin Engineering University，2009：22-32.
LAFOURCADE P，LIBREI M，REBOULET C.Design of a parallel wire-driven manipulator for wind tunnels［C］//Workshop on Fundamental Issues and Future Research Directions for Parallel Mechanisms and Manipulators，October 3-4，2002，Quebec，Canada，2002：187-194.
王卫东.基于绳索驱动的并联康复机器人研究［D］.南京：南京航空航天大学，2012：12-36.
WANG Weidong.Research on wire-driven parallel rehanilitation robot［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2012：12-36.
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