[论文解读] 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 7

一句话总结

本文采用改进的D-H方法对下肢康复外骨骼机器人的运动学进行了分析，并进行了3D仿真。作者开发了一种数值逆运动学算法，并通过基于MATLAB的3D步态仿真进行了验证，展示了可靠的运动再现能力，为构建完整的仿真平台奠定了基础。

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.

研究动机与目标

• 分析下肢康复外骨骼机器人的运动学结构。
• 利用改进的Denavit-Hartenberg（D-H）方法推导正向与逆向运动学方程。
• 开发一种数值算法以求解逆运动学问题。
• 在MATLAB中构建外骨骼的3D仿真模型。
• 通过完整的步态周期仿真验证逆运动学算法的可靠性。

提出的方法

• 对外骨骼的运动学结构进行分析，以确定关节与连杆参数。
• 应用改进的D-H方法建立递归的正向与逆向运动学方程。
• 制定一种数值算法，以求解期望末端执行器轨迹对应的逆运动学问题。
• 使用MATLAB构建3D动态仿真模型，以可视化和模拟外骨骼的运动。
• 模拟完整的步态周期，以验证运动模型的精度与一致性。
• 通过比较仿真得到的关节轨迹与预期运动模式，评估逆运动学解的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用改进的D-H方法准确建立下肢外骨骼机器人运动学模型？
• RQ2 何种数值方法可确保在步态仿真中获得稳定且精确的逆运动学解？
• RQ3 基于所推导的运动学模型，3D仿真平台能否再现完整的步态周期？
• RQ4 当应用于真实步态模式时，逆运动学算法的可靠性如何？
• RQ5 基于MATLAB的仿真在验证外骨骼运动学性能方面起到何种作用？

主要发现

• 改进的D-H方法成功实现了对外骨骼递归正向与逆向运动学方程的推导。
• 数值逆运动学算法为生成与期望末端执行器路径相对应的关节轨迹提供了可行解。
• 在MATLAB中构建的3D仿真模型准确再现了完整的步态周期，证明了系统的动态可行性。
• 仿真结果证实了逆运动学算法在整个步态周期中具有可靠性和一致性。
• 运动学建模与3D仿真的集成，为未来构建全面的外骨骼仿真平台奠定了坚实基础。
• 本研究验证了所提出的运动学框架在康复机器人领域中的实际适用性。