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一种上肢外骨骼运动学分析与奇异性消除方法
A Method of Kinematic Analysis and Singularity Elimination for Upper-limb Exoskeleton

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肖永飞 1 *   王学林 1   李志海 2   赵永国 1  
文摘 为合理确定上肢外骨骼机械臂的物理参数,评估其运动性能,提出一种人体上肢运动空间的准确建模方法,并针对人体上肢自身的生理特点,给出自运动流形的优化求解以及外骨骼上肢机构奇异性消除方法.首先,通过分析人体上肢解剖结构,建立胸锁骨关节、盂肱关节以及肘关节等角度与末端位置的等效运动学模型,进而准确模拟上肢运动范围内的可达空间.其次,依据上肢冗余自由度导致的自运动特点,以上肢负载能力最大为约束条件,求解运动流形中的最佳姿态.最后,根据所建模型分析上肢的奇异姿态,给出可避免奇异性的外骨骼系统结构配置,从机构设计上避免上肢外骨骼系统运动控制过程奇异性的发生.
其他语种文摘 In order to determine the physical parameters of upper-limb exoskeleton mechanism and evaluate its motion performance, a precise modeling method is proposed to deduce the motion space of human upper-limb. Depending on the physiological characteristics of human upper limb, the self-motion manifold is optimized and a method to avoid the singularity of upper limb exoskeleton mechanism is introduced. Firstly, the anatomical structure of upper limb is analyzed. The equivalent kinematic model including the angles of the sternoclavicular joint, glenohumeral joint, elbow joint and etc, is built to calculate the orientation of endpoint. The reachable space of upper limb motion is simulated accurately. Secondly, the optimal orientation of motion manifold is calculated according to the self-motion characteristics from the redundant freedom of upper limb while the maximum loading capability of upper limb is considered. Finally, the singularity orientation of upper limb is analyzed based on the proposed model. The configuration of exoskeleton system is given to avoid the singularity in exoskeleton system motion control through mechanism design.
来源 机器人 ,2016,38(1):33-40 【核心库】
DOI 10.13973/j.cnki.robot.2016.0033
关键词 外骨骼机构 ; 上肢运动 ; 精确模型 ; 自运动流形 ; 奇异性
地址

1. 山东省科学院自动化研究所, 山东省机器人与制造自动化技术重点实验室, 山东, 济南, 250013  

2. 中国科学院沈阳自动化研究所, 辽宁, 沈阳, 110016

语种 中文
文献类型 研究性论文
ISSN 1002-0446
学科 机械、仪表工业
基金 国家国际科技合作专项 ;  山东省自然科学基金 ;  国家自然科学基金
文献收藏号 CSCD:5638234

参考文献 共 14 共1页

1.  杨智勇. 能量辅助骨骼服的研究现状及发展趋势. 山东科技大学学报,2012,31(5):41-49 被引 2    
2.  潘礼正. 上肢康复机器人实时安全控制. 机器人,2012,34(2):197-203,210 被引 16    
3.  刘刚田. 人机工程学,2012:101-114 被引 2    
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7.  Lee H D. Human-robot cooperation control based on a dynamic model of an upper limb exoskeleton for human power amplification. Mechatronics,2014,24(2):168-176 被引 6    
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9.  杨溯. 气动肌肉上肢外骨骼增能研究,2013 被引 1    
10.  Carmichael M G. Human biomechanical model based optimal design of assistive shoulder exoskeleton. Springer Tracts in Advanced Robotics,2015,105:245-258 被引 1    
11.  崔泽. 基于自运动的仿人七自由度机械臂逆解算法. 上海大学学报:自然科学版,2012,18(6):589-595 被引 7    
12.  吕超. 上肢偏瘫康复机器人研究,2011 被引 9    
13.  Roman-Liu D. Upper limb strength in relation to upper limb posture. International Journal of Industrial Ergonomics,2005,35(1):19-31 被引 1    
14.  陈浩. 外骨骼机器人设计,2013 被引 1    
引证文献 3

1 李靖 外骨骼上肢康复机器人的运动学研究与验证 机械传动,2018,42(11):89-95
被引 0 次

2 孙定阳 绳驱动柔性上肢外骨骼机器人设计与控制 机器人,2019,41(6):834-841
被引 5

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