基于人机闭链的下肢康复外骨骼机构运动学分析

针对下肢康复外骨骼在使用过程中出现的运动偏差，基于人体-外骨骼运动模型与调整模型，完成了下肢康复外骨骼的结构设计与运动学分析。运用人机偏差变量理论和人机相容理论，在人体-外骨骼运动模型上添加被动自由度，建立了人体-外骨骼调整模型。根据2种模型设计了下肢康复外骨骼，该外骨骼提供运动模式和调整模式，可通过人机滑动偏差检测装置切换使用模式。通过建立单侧外骨骼机械腿运动学模型，求解其运动方程和连杆变换矩阵。运用MATLAB和ADAMS软件对外骨骼模型和人体-外骨骼模型进行运动学仿真，并对比分析仿真结果。结果表明：下肢康复外骨骼在矢状面内的运动空间可以覆盖人体末端运动轨迹，该外骨骼各关节仿真运动趋势与理论运动趋势基本一致；调整模式能够补偿运动模式产生的运动偏差，验证了下肢康复外骨骼机构设计的合理性。研究表明基于人机闭链设计的下肢康复外骨骼机构能够较好地补偿运动偏差，避免因人机滑动引起的人体二次损伤，为外骨骼的实用化设计与研究提供了理论基础。     

医疗助力下肢外骨骼设计及动力学仿真分析

针对人体下肢受伤康复等问题,设计了医疗助力下肢外骨骼机器人.对下肢外骨骼系统进行了基本结构设计,把下肢运动分单腿、双腿支撑的不同时期,进行了下肢外骨骼系统动力学计算.通过Lagrange方程,得到各关节力矩计算公式,建立了三维模型,利用基于接口的协同仿真技术并结合ADAMS和MATLAB软件对外骨骼进行联合仿真,得到单腿支撑时期各关节角度变化曲线及力矩变化曲线,对比仿真数据和理论计算数据,验证了理论模型的合理性.通过下肢外骨骼仿真分析设计,为后期下肢外骨骼运动控制及模型制造提供重要数据与理论基础.     

基于ADAMS平台的四足机器人越障仿真与测试

针对四足机器人在静步态行走过程中面对非平坦路面上障碍物的情况,提出一套完整的四足机器人翻越障碍物的步态理论分析方法,同时使用ADAMS虚拟样机软件对该步态进行运动仿真与测试。文中详细叙述了机器人膝关节与髋关节的运动轨迹规划,将规划的轨迹离散化后导入ADAMS和利用ADAMS/PostProcessor得到仿真测试结果。该研究通过虚拟样机平台弥补了前期客观条件限制下的测试局限,测试结果验证了四足机器人翻越障碍物的理论分析。四足机器人翻越障碍物的步态理论对未来四足机器人实物样机的设计和制造工作有着指导意义。     

一种被动式外骨骼机械足的结构设计及优化

被动式外骨骼可以减少行走能量消耗且不耗费电能,在军事、民用领域具有广阔的应用前景。针对现有被动式外骨骼节省的能量较少且无法适应不同行走配置等问题,提出了多级能量锁原理,并根据此原理设计了一款被动式外骨骼机械足。首先,基于多级能量锁原理,建立人体行走时支撑相储能阶段和释能阶段的人机耦合ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析)动力学模型。然后,对被动式外骨骼机械足进行了优化:基于所建立的动力学模型分析了弹簧位置和弹簧释放角度这2个结构参数对机械足助力性能的影响规律,并结合足跟高度求得了这2个参数的最优解。最后,基于行走实验和有限元仿真分析,对被动式外骨骼机械足的强度、刚度、流畅性和舒适性等进行了优化,优化后机械足的质量约减轻500 g,安全系数达到了3.04,运行流畅性和舒适性显著提升。结果表明,释能阶段是被动式外骨骼机械足发挥作用的关键阶段;弹簧释放角度对释能阶段机械足助力性能的影响较为显著,即为影响机械足助力性能的关键参数。研究结果可为外骨骼设计提供重要参考。     

外骨骼负重机器人液压缸驱动力分析与仿真

本文利用动力学仿真软件ADAMS建立外骨骼负重机器人的虚拟样机,进行动力学仿真,根据仿真结果对液压缸驱动力进行分析计算,并将结果导入虚拟样机进行仿真验证。     

航空装配抗振外骨骼动力学建模

为了指导航空装配抗振外骨骼结构设计,根据拉格朗日原理建立抗振外骨骼辅助铆接操作的平面多方向2自由度非线性人机耦合振动模型,将铆枪弧形振动位移分解为水平方向和竖直方向的直线位移,得到两个方向上的运动微分方程及其非线性刚度和阻尼分量。提出一种逆向仿真法,利用仿真拟合结果逆向推导人体手臂在水平方向和竖直方向的等效刚度和阻尼。在ADAMS中建立仿真模型,将仿真结果与数值计算结果进行对比,结果表明:数值计算结果与仿真结果有相同的变化趋势,振幅在0.2 Hz处达到极大值,且在振动频率高于10 Hz时,两者具有较高的吻合度。仿真模型验证了理论模型的准确性,研究成果为抗振外骨骼双平行四边形弹簧连杆减振机构及类似减振结构的设计提供了理论依据。     

基于拓扑优化的军用单兵外骨骼装备设计研究

目的 以构建人机协调、轻量化的外骨骼设计为目标,探索拓扑优化在军用单兵外骨骼设计领域的应用和方法。方法 通过分析外骨骼装备的使用需求和现有装备的设计特点,结合人体工学和运动学理论提出军用单兵外骨骼装备的设计方向,将拓扑优化方法引入外骨骼装备前期造型设计阶段,建立以形态结构优化为先导的设计流程,并应用于军用单兵外骨骼装备设计。结果 基于人体运动自由度和步态,设计了具备拓扑优化造型的军用单兵外骨骼装备。装备部件经过优化后,在结构性能较为理想的同时,自重显著降低、装备可穿戴性好,且能够提供有效的负重辅助和可观的运动助力,达到了设计预定指标。结论 拓扑优化设计方法能够满足人机协调运动机构和高比强度造型结构的外骨骼装备设计要求;基于该方法设计的单兵外骨骼装备具有良好的军事应用前景。     

快递包裹码垛机器人设计与腿部功能仿真

目的设计一种快递包裹码垛机器人,以更好地完成快递包裹的分拣与码垛工作。方法通过Inventor软件建立整机三维模型,运用D-H齐次坐标变换矩阵建立其左前腿运动学方程,基于ADAMS虚拟样机技术对该快递包裹码垛机器人腿部结构进行结构优化,并对该机器人分别实施滚动式水平面行走、吸附式爬壁行走的功能特性进行深入分析。结果得出腿部优化设计变量对转角的敏感度,最终得到最佳腿部结构,大腿关节转角活动范围可达到27.34°,重心高度稳定在340 mm左右,重心稳定。结论仿真结果表明,该快递包裹码垛机器人具有机构设计合理、运动稳定可靠、动作灵敏等特点,为现有快递行业提供了一款节省人力及时间的劳动工具。     

基于ADAMS的助力机械腿结构设计与仿真

 为研究助力机械腿的步态周期,提出采用虚拟动力学软件仿真模型行走过程的方法.结合人体结构和行走规律,研究助力机械腿的工作原理和功能实现,对助力机械腿进行机械结构的设计,并建立助力机械腿和与之相配合的数字人的三维模型,利用ADAMS对人体行走步态进行仿真模拟控制.试验验证了建立的助力机械腿符合人体行走的要求,在技术上是可行的,为实体样机试验提供了参考,对研究助力机械腿控制算法具有积极意义.     

基于弹性装置驱动的外骨骼助行效能评价

目前,被动式助行外骨骼的能量转化效率较低。基于人体步态特征及人在行走过程中产生的重力势能和动能,分析了外骨骼的助力原理,并采用多级能量锁止机构设计了一款下肢被动式外骨骼。建立了外骨骼的动力学仿真模型,以体重和行走速度为变量,对外骨骼储能性能进行了仿真分析。以肌电信号为依据对外骨骼的助力性能进行了研究,对比了在穿戴/未穿戴外骨骼时下肢各肌肉肌电信号的时域曲线及积分值。结果表明,多级能量锁止机构可以提高外骨骼的储能效率,外骨骼对不同体重和不同行走速度具有优良的自适应性,且存储能量与体重、行走速度均成正相关关系。该外骨骼在不同的行走状态下均具有良好的助力作用。     

下肢外骨骼助力机器人动力学建模及实验研究

下肢外骨骼助力机器人存在人?机关节是否匹配、主动关节设计是否满足人体关节运动的驱动力要求等问题。为解决上述问题,基于所设计的电液伺服驱动下肢外骨骼助力机器人,将其简化为七连杆结构,并结合步态平衡理论,采用牛顿?欧拉法构建了其摆动相与支撑相瞬时动力学模型。然后,将不同步态相位下人体运动时的角度数据、速度数据及机器人结构参数代入牛顿?欧拉动力学迭代方程,求得机器人各关节的理论驱动力矩。最后,开展ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析）仿真实验和人机协同助行实验,通过对机器人各关节的驱动力矩峰值进行比较,验证了所构建动力学迭代方程的正确性和有效性。结果表明,通过采用牛顿?欧拉法来求解下肢外骨骼助力机器人关节的驱动力矩,可为其结构优化与控制策略制定提供重要的理论支撑。     

人因模拟的腰部助力外骨骼机器人舒适性设计

目的 针对腰部助力外骨骼机器人穿戴过程繁琐、身体感受不良、交互体验不佳等舒适性因素,提出一种舒适性分析评估方法和设计提升方案,为外骨骼机器人舒适性设计提供参考.方法 以Jack人因模拟软件为分析工具,模拟腰部助力外骨骼机器人使用过程,从人体模型构建、负载状态模拟、可达区域分析、视野区域分析、静态受力分析等角度,对腰部助力外骨骼机器人舒适性影响因素进行分析.基于一款腰部外骨骼机器人原型机的不舒适因素,对机械匹配尺寸、设备自重分布、绑缚结构设计、交互体验设计等方面提出优化改进方案,并对改进方案进行模拟验证.结论 可以通过人因模拟的方式,对腰部外骨骼机器人进行舒适性提升设计,改进后的腰部助力外骨骼机器人舒适性有显著提升.     

UG集成环境下数控机床虚拟样机的实现

数控机床是一种重要的技术装备。为提高数控机床的设计水平和能力,在数控机床的设计开发过程中需要引入新的技术和设计手段。为把虚拟样机技术应用到数控机床设计开发的工程实践中,基于虚拟样机的概念讨论了数控机床虚拟样机的具体实现过程,分析比较了实现该过程的分布式软件平台和UG集成软件平台的特点。以数控铣床新产品开发为例,研究了UG集成环境下数控机床虚拟样机的构建与仿真过程,包括数字模型与装配、运动仿真、结构分析以及在虚拟样机上的加工仿真,给出了相应的示例。研究表明,应用UG的各功能模块可以有效地构建数控机床的虚拟样机并对其进行全面的仿真,使所设计的数控机床得到全面优化,为数控机床的开发设计提供了一种可行的先进方法。     

肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼设计与分析

无动力外骨骼具有质量小、代谢能耗低、基本不改变正常步态、无需外动力源和可持续工作时间长等优点，已逐渐成为新型外骨骼领域的研究热点。为提升常规无动力下肢外骨骼对步态能量的利用效率，设计了一种肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼。首先，通过建立人体下肢动力学模型分析了行走过程中下肢能量的变化规律，得到了步态能量的储存与释放机理；然后，结合设置代起止点的折线路径及肌力贡献度，制定了关节肌肉的肌力协同补偿路径；最后，基于踝、髋关节的刚度设计了弹性储能元件，构建了一款无动力柔性下肢外骨骼，并利用OpenSim软件分析了有无穿戴外骨骼时人体下肢相关肌肉在行走过程中的代谢能耗。结果表明，在穿戴无动力下肢外骨骼时，比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌的代谢能耗分别降低了31.5%，34.7%和40.0%，股直肌、阔筋膜张肌和缝匠肌的代谢能耗分别降低了36.3%，7.0%和5.0%；单个步态周期内下肢相关肌肉的总代谢能耗降低了15.5%。研究结果可为低代谢能耗的无动力下肢外骨骼的优化设计提供一定的理论依据。     

基于UG/Motion重型货车主副弹簧悬架动力学仿真分析系统的构建

摘　要：提出了一种基于UG/Motion构建重型货车主副弹簧悬架动力学仿真分析系统的新方法,并应用该方法开发出了相应的软件原型系统。基于两自由度1/4车辆虚拟样机模型,原型系统的仿真分析模块可方便、快捷的实现虚拟样机模型主要设计参数的修改及基于谐波叠加法各种标准等级时域路面不平度的模拟生成。仿真分析模块通过调用UG/Motion集成的RecurDyn解算器来获取仿真分析结果,通过集成Matlab的绘图功能对分析结果进行输出查看;系统的遗传优化设计模块以整个载荷范围内悬挂质量加速度均方根值最小为目标函数,可对悬架的阻尼系数、主副弹簧刚度比和临界载荷比进行了动力学优化。通过一个设计实例验证了原型系统构建的正确性及遗传优化设计模块的有效性。     

带躯干变刚度双足机器人的周期行走控制

研究了带躯干双足机器人平面稳定行走控制问题。改进传统的弹簧-质点模型,得到带躯干的双足机器人模型,通过控制髋关节施加力矩和改变弹簧腿的刚度,使得系统收敛到期望步态。针对系统模型的非线性和强耦合特征,采用反馈线性化方法将系统的动力学模型转化成线性系统,采用PD控制和P控制对机器人的躯干倾角和髋关节轨迹进行整体控制。在理论分析的基础上,对控制方法进行了数值仿真研究。仿真结果表明:该文采用的反馈线性化和变刚度控制方法可以实现带躯干双足机器人的稳定行走;与基于时间轨迹的控制方法相比,该文基于空间轨迹的控制器对各种外力干扰具有良好的抵抗能力;控制器对躯干的倾角变化具有适应性;当模型不确定时控制器表现出优异的鲁棒性。