[論文レビュー] Kinematics analysis and three-dimensional simulation of the rehabilitation lower extremity exoskeleton robot

Jiangcheng Chen, Xiaodong Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2014

Prosthetics and Rehabilitation Robotics参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、修正D-H法を用いた前向きおよび逆運動解析を用いて、下肢リハビリテーション用外骨格ロボットの運動学的解析と3次元シミュレーションを提示する。著者は数値的逆運動解析アルゴリズムを考案し、MATLABを用いた3次元歩行シミュレーションによりその妥当性を検証した。これにより、信頼性の高い運動再現性が示され、包括的なシミュレーションプラットフォームの基盤が築かれた。

ABSTRACT

The kinematics recursive equation was built by using the modified D-H method after the structure of rehabilitation lower extremity exoskeleton was analyzed. The numerical algorithm of inverse kinematics was given too. Then the three-dimensional simulation model of the exoskeleton robot was built using MATLAB software, based on the model, 3D reappearance of a complete gait was achieved. Finally, the reliability of numerical algorithm of inverse kinematics was verified by the simulation result. All jobs above lay a foundation for developing a three-dimensional simulation platform of exoskeleton robot.

研究の動機と目的

• 下肢リハビリテーション用外骨格ロボットの運動学的構造を解析すること。
• 修正デンビット＝ハルテンバーグ（D-H）法を用いて前向きおよび逆運動学方程式を導出すること。
• 逆運動学問題を解くための数値アルゴリズムを開発すること。
• MATLABを用いて外骨格の3次元シミュレーションモデルを構築すること。
• 完全な歩行サイクルのシミュレーションを通じて、逆運動学アルゴリズムの信頼性を検証すること。

提案手法

• 外骨格の運動学的構造を解析し、関節およびリンクのパラメータを定義した。
• 修正D-H法を適用して、再帰的前向きおよび逆運動学方程式を確立した。
• 目的のエンドエフェクタ軌道に対応する関節軌道を生成するための数値アルゴリズムを策定した。
• MATLABを用いて外骨格の運動を可視化およびシミュレート可能な3次元動的シミュレーションモデルを構築した。
• 完全な歩行サイクルのシミュレーションを実施し、運動学モデルの精度および一貫性を検証した。
• シミュレーションされた関節軌道と期待される運動パターンを比較することで、逆運動学解の信頼性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 修正D-H法を用いることで、下肢外骨格ロボットの運動学モデルをどれほど正確に定式化できるか？
• RQ2 どのような数値的手法が歩行シミュレーションにおける安定的かつ高精度な逆運動学解を保証するか？
• RQ3 導出された運動学モデルを用いて、3次元シミュレーションプラットフォームが完全な人間の歩行サイクルを再現可能か？
• RQ4 実際の歩行パターンに応用した場合、逆運動学アルゴリズムの信頼性はどの程度か？
• RQ5 MATLABベースのシミュレーションは、外骨格の運動学的性能を検証するために果たす役割は何か？

主な発見

• 修正D-H法を用いることで、外骨格の再帰的前向きおよび逆運動学方程式の導出に成功した。
• 数値的逆運動学アルゴリズムにより、目的のエンドエフェクタ経路に対応する関節軌道を実現可能な解が得られた。
• MATLAB上での3次元シミュレーションモデルは、完全な歩行サイクルを正確に再現でき、システムの動的妥当性を示した。
• シミュレーション結果により、歩行サイクル全体にわたり逆運動学アルゴリズムの信頼性および一貫性が確認された。
• 運動学モデリングと3次元シミュレーションの統合により、将来的な包括的外骨格シミュレーションプラットフォームの基盤が確立された。
• 本研究により、リハビリテーションロボティクス分野における提案された運動学フレームワークの実用的適用性が検証された。