下肢假肢关节电机的运动控制研究

结合四连杆机构和磁流变阻尼器设计一种新型磁流变阻尼下肢假肢。通过Opensim软件仿真,获得下肢关节角度曲线。为实现关节电机对关节角度曲线的轨迹跟随,以关节角度曲线为目标轨迹曲线,结合LabVIEW和STM32搭建关节电机实验测试平台,对下肢假肢关节电机进行运动控制研究。结果表明：关节实际轨迹与目标轨迹的误差不超过3.5°,关节电机的跟随效果较好。     

下肢外骨骼机器人结构设计与运动稳定性研究

为帮助下肢瘫痪人群恢复行走功能,设计出一款下肢外骨骼机器人。依据人体运动机制对各个关节的自由度进行了设计,确定了主动关节和被动关节类型并选用合适的驱动方式,详细介绍了主要部位的结构设计。论述了机器人的工作机制以及工作方式。建立下肢外骨骼机器人的连杆模型,规划出关节运动轨迹并求解出各个关节旋转运动曲线。利用ADAMS仿真软件将所规划的步态曲线进行仿真分析,仿真结果表明:各个关节运动曲线柔顺平滑,无明显冲击。在一个周期内,与理论计算值相比,各个关节的角度仿真值误差均小于±1.5°,在合理误差范围之内。利用COG理论验证步态轨迹的动态稳定性,证明了所规划的步态曲线的合理性。     

多级调压型磁流变阀结构优化设计

根据磁流变液在磁场作用下的可控可逆特性,在传统磁流变阀阀芯上缠绕三组励磁线圈,与阀体一起组成4个可变阻尼间隙,形成一种外侧圆环阻尼间隙多级调压型磁流变阀。采用ANSYS有限元仿真软件对多级调压型磁流变阀进行了磁场仿真,得出了磁力线分布和磁感应强度大小。基于仿真后处理数据对磁流变阀进行了结构优化,得出了该磁流变阀的最佳结构参数,并对结构优化前后阻尼间隙处的磁感应强度以及进出口阀压差进行了对比分析。相关优化设计方法和思路对磁流变阀设计具有一定的理论指导意义。     

环形折线阻尼通道磁流变阻尼器设计与分析

依据磁流变阻尼器的技术要求,对具有阻尼通道有效长度短、阻尼力小、行程有限等缺点的环形通道磁流变阻尼器进行改进,提出自行设计的环形折线阻尼通道磁流变阻尼器。对该新型磁流变阻尼器与环形通道磁流变阻尼器进行对比,并建立了该阻尼器的力学模型。然后从阻尼力角度出发,对该阻尼器的阻尼通道间隙h进行理论分析。最后应用MATLAB软件对该阻尼器和环形通道阻尼器建模,绘制电流和阻尼力之间的关系曲线,从比较结果可知新型磁流变阻尼器输出的阻尼力要超过环形通道磁流变阻尼器输出的阻尼力约为2倍以上。     

步态康复训练机器人行走步态仿真研究

步态康复训练机器人是对下肢行走障碍患者进行步态康复训练的一种助力康复设备,其行走步态的研究对于控制方案的制定有着重要意义.本文作者提出了步态康复训练机器人总体结构设计方案,利用Matlab/Simulink仿真环境下的机构系统模块集(SimMechanics)建立了步态康复训练机器人系统的仿真模型,并将斯坦福OpenSim下肢肌肉骨骼模型得到的下肢关节运动数据作为设定输入对机器人进行了运动仿真分析和研究,为下一步机器人样机制作和实际控制奠定了理论基础.     

基于耦合的Vitual Lab Motion & AMESim的下肢外骨骼机电液系统建模及仿真分析

利用Virtual Lab Motion对下肢外骨骼进行了结构建模。依据现有的临床步态分析数据——关节角度随时间的变化关系,通过运动学分析逆向得出所设计系统各个液压缸的理想控制曲线,即液压缸位移随时间的变化关系。依据仿真得到的力臂及液压缸速度可对电液系统的压力和流量进行估算,利用Virtual Lab Motion与AMESim的耦合仿真验证了系统的合理性。     

基于气动肌肉驱动的下肢康复机器人设计与仿真

为实现气动肌肉在多自由度康复机器人中的应用,设计一种用于步态康复训练二自由度下肢康复辅助训练机器人,驱动器由气动肌肉和拉伸弹簧并联驱动关节以实现节能辅助行走。建立人体下肢运动学和动力学模型,并以标准CGA步态曲线作为关节输入,通过SolidWorks/Motion进行运动学仿真,验证所设计的模型符合人体下肢运动规律。针对气动肌肉伸展时存在非线性使得关节控制困难,提出了模糊自适应PID控制算法。在MATLAB/Simulink中进行仿真控制实验,仿真结果表明：相比传统PID算法,模糊PID自适应控制算法使外骨骼达到更好的跟随效果。最后通过实验平台验证了模糊PID自适应控制算法能够满足患者主动康复训练的需求。     

双线圈磁流变阀压降特性分析

利用磁流变液体的可控特性,基于传统单线圈磁流变阀结构,设计一种双线圈圆环阻尼间隙磁流变阀。采用Maxwell电磁场仿真软件对双线圈磁流变阀进行磁场仿真,得出外加电流与阻尼间隙处磁感应强度大小的关系。建立双线圈磁流变阀压降数学模型,采用MATLAB数值仿真软件对磁流变阀压降特性进行仿真分析,初步得到了磁流变阀结构参数对压降的影响规律,从而为双线圈磁流变阀多级调压提供了一定的理论参考。     

阻尼间隙可调式磁流变阀建模及仿真分析

设计了一种新型阻尼间隙可调式磁流变阀,该磁流变阀阻尼间隙可在1~2 mm之间变化。建立了阻尼间隙可调式磁流变阀压降计算公式。同时,采用有限元仿真软件ANSYS对该磁流变阀进行了电磁场仿真分析及计算,详细分析了磁流变阀阀体厚度、绕线槽深度以及阀套大端直径对压降性能的影响,为今后磁流变阀的尺寸设计及结构优化提供了理论基础。     

阻尼间隙可调式磁流变阀建模及仿真分析（英文）

设计了一种新型阻尼间隙可调式磁流变阀,该磁流变阀阻尼间隙可在1~2 mm之间变化。建立了阻尼间隙可调式磁流变阀压降计算公式。同时,采用有限元仿真软件ANSYS对该磁流变阀进行了电磁场仿真分析及计算,详细分析了磁流变阀阀体厚度、绕线槽深度以及阀套大端直径对压降性能的影响,为今后磁流变阀的尺寸设计及结构优化提供了理论基础。     

人体下肢多关节连续运动的肌电预测方法

为了准确捕捉人体下肢关节在不同运动模式下的运动状态，提出一种利用肌电信号进行下肢多关节连续运动预测的方法。采集人体在蹲起运动、膝屈伸运动和上下阶梯运动时的肌电和运动数据进行处理分析，利用肌肉骨骼几何建模软件Opensim建立人体骨骼肌肉仿真模型，并进行逆运动学分析，提取人体下肢关节运动曲线。建立人体下肢在矢状面内的运动与肌电的映射关系，利用麻雀搜索算法优化Elman神经网络，实现对踝、膝和髋关节角度连续变化的预测，与传统的反向传播神经网络、支持向量机回归和Elman神经网络预测结果进行对比。结果表明：利用麻雀搜索算法优化的Elman神经网络在预测下肢关节角度变化中具有更高的精度，且该预测模型在不同运动模式下关节运动预测值与测量值均表现出一定的相关性，相关系数均大于0.89,证明利用肌电信号进行下肢多关节连续运动预测是可行的。     

基于磁流变阻尼器的前起落架摆振半主动最优控制

采用线性二次型(LQR)最优控制策略对由磁流变(MR)阻尼器构成的前起落架减摆器进行半主动控制,考虑其对机轮摆动角度、摆动角速度和侧向位移的影响。采用Spencer模型来表征磁流变阻尼器的动力学特性;建立了前起落架摆振的数学模型。分析了减摆器在不同摆角和摆动角速度时的稳定范围。对前起落架系统的振动响应和控制性能进行比较分析。仿真结果表明:在飞机滑跑速度范围内,半主动线性二次型最优控制作用于磁流变阻尼器中能有效地抑制前起落架摆振。     

磁流变阻尼器的多目标优化设计与实验研究

针对现有磁流变阻尼器功耗大、输出阻尼力低的问题,以磁流变阻尼器的低功耗化及轻量化为优化目标,建立磁流变阻尼器结构参数与优化目标之间的关系模型;采用多目标遗传算法对其结构参数进行优化,得出最优解;对优化后的磁流变阻尼器进行试验研究,验证所选参数的合理性。研究结果表明：优化后磁流变阻尼器的平均功耗降低了46%、最大阻尼力增加了30%;磁流变阻尼器的功耗与阻尼力之间存在相互平衡关系,为磁流变阻尼器的参数设计提供了理论和实验依据。     

基于磁流变阻尼器的滚珠丝杠进给系统主动抑振研究

针对滚珠丝杠进给系统轴向振动影响工件的加工质量和精度保持性的问题,将磁流变阻尼器应用于机床滚珠丝杠进给系统轴向抑振。设计磁流变阻尼器,进行磁流变阻尼器阻尼特性试验,采用最小二乘法和BP神经网络对阻尼力进行了辨识。建立带有磁流变阻尼器的机床滚珠丝杠进给系统单自由度振动模型,基于Runge-Kutta法计算了系统的动态响应。通过数值计算发现：阻尼器输入电流由零逐渐增大时,系统能够快速趋向于稳定;由幅频曲线可以看出,磁流变阻尼器抑制滚珠丝杠进给系统的振动是可行的。最后试验验证了磁流变阻尼器能够很好地抑制滚珠丝杠进给系统的振动。     

功能集成型磁流变阻尼器结构设计研究进展

磁流变阻尼器(MRD)是一种广泛应用于汽车悬架、桥梁建筑等领域的智能减振器件。为使MRD在半主动系统中控制效果更好,同时避免传统MRD工作过程中振动机械能以热能方式耗散,MRD功能集成就显得尤为重要。阐述了传统MRD工作原理及其在车辆悬架中的应用,并结合功能集成思想,详细分析了自感应型、振动能量采集型以及自感应自供电型等功能集成型MRD的结构、工作原理及国内外研究现状;同时介绍了课题组研制的系列功能集成型MRD。相关分析结果可为功能集成型MRD结构设计及工程应用提供一定的理论参考。     

一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真

设计了一种非拟人型下肢外骨骼,主要是由座椅、髋关节、大腿部结构、膝关节、小腿部结构、踝关节和鞋子依次串联而成,采用电机驱动。对下肢外骨骼进行了自由度分配与结构分析,根据坐标变换,运用D-H法建立下肢外骨骼的运动学模型。建立了下肢外骨骼虚拟样机模型,利用多体动力学仿真软件ADAMS进行运动学仿真。仿真结果验证了理论模型的合理性,为后期进一步研究外骨骼提供了依据。     

磁流变减振器的温度场分析

针对目前磁流变减振器的温度场研究较少且现有技术手段无法监测到减振器内部的温度分布,考虑温度对减振器性能的影响,对温度场的分析十分必要。理论分析得到温度对减振器阻尼力及可调系数的影响;考虑到流固传热及流场的相互耦合作用,分别建立流场及流固传热数学模型。在仿真软件中对减振器进行多物理场耦合建模,分析磁流变减振器的温度变化,得到其内部磁流变液的流动状态及变化规律。通过改变活塞头冲程和参数化扫描改变其阻尼间隙,获得不同条件下的温度场、流场分布状态。     

一种骑乘式下肢助行器结构设计与仿真分析

为了帮助老年人或腿脚无力人员行走,设计了一种骑乘式下肢助行器。首先将设计的机构在三维软件SolidWorks中制作成实体零件,并组装成装配体得到虚拟样机,然后对助行器在平地上进行助力行走的步态分析,求出助行器平稳助力行走时的各关节角变化规律,最后使用虚拟样机技术在ADAMS环境中将关节角变化规律用于样机的运动仿真分析。仿真结果表明,助行器虚拟样机能够稳定、适时的助力行走,验证了设计的功能和有效性。同时,也为下一步的选型优化和驱动控制研究奠定了基础。