欠驱动异构式下肢康复机器人动力学分析及参数优化

针对现有外骨骼机器人人机自由度不匹配和关节对中性差的问题,提出欠驱动下肢康复机器人. 欠驱动机器人只有4个直线驱动,驱动的直线运动通过推杆和人机连接机构转化为人下肢在矢状面内的屈伸运动,带动人体进行步态康复训练. 建立机器人系统的人机耦合模型,进行模型的动力学分析,对人机耦合模型中影响动力学结果的参数进行分析,建立驱动力与肢体推动力之间的关系模型,并以推力系数最大为目标进行参数分析与优化,得到最佳的结构参数. 根据优化后的结构参数搭建康复机器人实验系统,对髋、膝关节驱动力与角度进行对比. 实验结果表明最大髋关节角度误差为2.9°,最大膝关节角度误差为6.4°,最大误差均约为9%,验证了动力学模型和参数优化结果的正确性.     

基于数字孪生的装配式钢节点混凝土框架结构建造技术

与传统现浇框架结构相比,装配式钢节点混凝土框架结构建造速度更快,但框架钢连接节点处存在应力突变,因此,有必要采用基于数字孪生的手段监测该实际工程结构的施工过程,以获得钢节点对结构性能的影响。基于BIM、有限元和传感器等技术搭建了基于数字孪生的新型装配式钢节点混凝土框架结构的智能建造框架,从物理数据收集、虚拟模型建立、模型信息交互3个方面提出基于数字孪生的建筑结构智能建造实现方法。在新型装配式钢节点混凝土框架实际工程建造阶段,采用传感器技术实现工程中关键点数据的实时监测,并将其与BIM和有限元数据进行比较,进一步调整与修正物理模型中的框架结构受力情况,最终实现装配式钢节点混凝土框架数字孪生模型的建立和应用。研究表明,该数字孪生模型能有效对新型装配式钢节点混凝土框架结构进行实时监测,实现基于传感器网络和时空参数分析的危险点预测,有效减少资源消耗,为该结构的应用提供有效数据信息。     

基于MATLAB的六自由度机器人越障轨迹仿真

以六自由度机器人为研究对象,采用Pro/E软件建立机器人模型,导入VRML并通过设置rotation和century参数实现各个关节联动;利用MATLAB和SIMULINK软件建立可视化仿真平台,通过GUI实现与机器人的实时交互仿真,实现了机器人搬运工件越障运动仿真的实时性和可视化;结果表明理论分析和仿真结果一致。证明所建立的仿真平台具有可靠性和合理性,为研究此类机器人运动特性提供了有价值的参考。     

下肢康复机器人机械结构设计及动力学仿真

为推动康复机器人发展,提高下肢康复训练水平,设计了一种新型下肢训练康复机器人的机械结构.设计采用新型全向移动平台机构,实现了平面内任意方向的运动,并且可以在移动过程中实现任意半径转弯.从运动学角度分析了轮速与机器人轨迹间的数学关系,并采用虚拟样机技术结合Pro/E与Adams联合建模仿真的方法,建立了精确可靠的虚拟样机模型.实验仿真结果表明,设计的虚拟样机模型与数学模型具有一致性,验证了该下肢康复机器人机械结构的实际可行性,为物理样机的建立提供了可靠依据.     

一种机器人三维实时运动仿真方法

针对机器人三维实时运动仿真常用方法中不能与控制系统开发平台相融合、缺乏算法支持的问题,提出一种机器人三维实时运动仿真方法.该方法使用Solid Works软件作为机器人三维模型显示的载体,采用Visual Studio C++软件对该三维软件进行二次开发,将控制系统与三维实时仿真平台相融合,不仅能够对机器人下达控制指令,而且利用三维实时仿真平台对该机器人的运动进行实时仿真.研究表明,使用这种实时运动仿真方法能够在保证精度的前提下,使用反馈回的位置数据实时驱动相应的等比例三维模型,实时记录机器人的运动数据,使机器人的运动更加直观和准确.     

Unity3D中的Kinect声源定位与人机交互技术

Kinect是与Xbox360游戏机配套使用的一款外设,内置四元线性非对称麦克风阵列,可以根据各麦克风接收到声音信号的时延差,计算出声源方位与角度。Unity3D是一个可以创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的综合型游戏引擎,其本身缺少高级人机声音交互功能。为此,研究开发了基于Kinect的Unity3D人机声音交互接口。采用C++/C#混合编程技术,将Kinect API for Windows中关于声音的相关功能封装为非托管的C++动态链接库(DLL),利用该DLL把Unity3D引擎、Kinect体感设备和Visual Studio平台衔接起来;在Unity3D平台上对由Kinect获取到的声源位置进行识别定位,得到的实时数据可用于高级人机交互应用。     

仿肌肉绳索驱动下肢康复机器人系统使用安全性评价

为了研究仿生肌肉绳索驱动下肢康复机器人使用安全性的评价方法和指标,基于Hill肌肉模型,给出仿生肌肉绳索模型,介绍仿生肌肉绳索驱动下肢康复机器人（BM?CDLR）. 在康复机器人的刚性运动支链的运动规划和力学分析的基础上,定义了安全性能因子. 考虑不同患者的运动承受能力和刚性运动支链滑块运动速度的波动性,提出康复机器人的使用安全性评价指标. 通过实例分析验证了使用安全性评价方法的合理性.     

基于微型传感器的虚拟人运动控制

利用传感器数据和相邻肢体段相互关联的特点,根据人体运动特征建立了层次化结构的虚拟人运动模型,通过微型传感器采集的数据驱动虚拟人每个关节旋转,计算出关节的旋转角度,给出基于下肢运动的人体位移的计算方法。最后采用微型传感器数据和前向动力学相结合的方法对虚拟人运动进行控制,实现人体运动的重现。     

基于数字孪生的基础模搬运监控研究

摘 要：针对工业雷管生产过程中基础模搬运监控实时性差和缺乏可视化效果的问题,本文参考数字孪生五维 模型,提出一种基于数字孪生的基础模搬运监控系统架构;在此基础上以搬运机器人为例,结合机器人驱动控 制原理,介绍系统工作流程;最后,以某工业雷管基础模搬运线为应用对象,设计构建了工业雷管基础模搬运 线三维可视化监控模型,实现了搬运方案验证和运行状态实时监控,验证了所提架构的有效性,为基础模搬运 线高透明度监控的实现提供了参考。     

6-DOF上肢康复机器人的路径规划及实现

为了使康复机器人达到更好的康复效果,本文在机器人参数分析及结构分析的基础上,采用D-H方法建立运动学模型,在Matlab环境下,利用Robotics Toolbox工具箱对机器人建模,根据末端执行器初始与终止位姿,规划关节空间的路径轨迹,并利用Matlab软件对外骨骼上肢的运动和运动轨迹进行仿真,最后应用VC++构建机器人控制系统平台,并在实物样机上进行轨迹验证。验证结果表明,该设计可以实时观测各关节的运动角度与速度,从而验证仿真轨迹的正确性。该控制系统平台既可以进行单关节控制并实时显示关节的角位移图和角速度图,又可以实现多关节的联动控制,能够满足患者康复的不同需求,实用性较强,因此具有广阔的发展前景。     

Unity3D中的Kinect主角位置检测与体感交互

将Kinect与Unity3D联合,使玩家在三维虚拟场景里通过肢体控制游戏。根据Kinect的骨骼跟踪原理,对用户进行实时骨骼跟踪,利用Kinect SDK获取Kinect记录的关节点三维数据,实现硬件设备与Windows平台的连通。通过CMU的Kinect Wrapper实现Kinect SDK与Unity3D之间的数据交互。测试时,在Unity3D中建立三维虚拟场景,通过Kinect Wrapper中的Kinect Model Controller V2脚本对场景内的人物模型进行控制,并在Unity3D平台上实时确定用户的三维位置信息,完成Kinect与Unity3D的体感交互,可以扩展应用于高级人机交互应用,如虚拟现实系统、作战模拟训练等方面。     

6-SPS 并联机器人动力学解析模型

本文提出了６－ＳＰＳ并联机器人基于上平台位姿参数的动力学解析模型,定义了矩阵的一种乘法运算,建立了上平台与驱动构件之间的运动关系。导出了数字—符号表示的动力学模型矩阵,并研制了相应的建模软件。     

面向智能制造的通用分布式四域数字孪生系统

针对离散制造车间面临加工产品多样、数据服务计算实时性要求高、制造设备多导致难以实时反馈补偿的问题,依靠数字孪生虚拟与物理同步的特点,构建满足大量需求的高可用、高性能、高并发数字孪生参考模型.建立面向虚拟与物理模型多终端实时交互模式及信息时效分级规则,提出多终端虚拟交互模型,最终形成一种泛化性分布式计算服务数字孪生系统....     

数字孪生变电站框架设计与关键技术研究

随着智能电网快速推进与新技术领域的出现，以变电站为代表的能源互联网系统拓扑结构趋于复杂，传统运维管理模式已经难以满足变电站规划设计、监测分析和运行优化的要求。数字孪生（Digital Twin, DT）技术的发展给电力系统的智能化管理带来诸多便利。然而作为推动能源电力行业数字化、智能化的关键技术，相关研究与应用处于初期起步阶段，将数字孪生技术工程应用于能源电力各业务环节依然存在诸多挑战，亟需开展系统性研究，以突破适应能源电力行业特殊性的数字孪生关键技术。为此，本文以变电站作为应用场景，首先对变电站运维管理现状进行了分析，指出现阶段变电站巡检模式缺陷、模型精度不够、感知参量单一、缺乏对数据的深度挖掘等问题。以此设计了一套涵盖空间信息与设备建模、变电主设备机理建模、智能反馈控制、设备感知网络、基于数据驱动的数字孪生体模型的仿真，以及三维可视化渲染与应用的数字孪生变电站模型框架。然后讨论了变电站数字孪生技术面临的问题与挑战，包括：高性能、低成本、高精度、低功耗、高集成度与智能化的变电站专用传感器研制；海量多源异构数据存储管理与计算资源优化分配；孪生模型精度亟待提升与可解释性缺乏论证；“数据安全”与“数据孤岛”给数据驱动的模型训练带来挑战；高精度实景三维重建与虚拟实体动态更新算法的研究。针对提出的问题与挑战，进而探讨了解决问题的关键技术研究，包括基于压缩感知理论的新工艺、新材料的智能传感器技术；海量多源异构数据分布式云存储技术与以安全私有云为核心的数据管理体系；云边协同计算技术；数据驱动与机理知识融合建模技术；满足隐私保护和数据安全前提下的模型训练技术——可信联邦学习；实景三维重建、点云语义分割、点云动态可视化、虚拟现实等计算机视觉相关技术。结合数字孪生模型设计与关键技术问题的探讨，给出了一套面向工程应用的数字孪生变电站系统设计方案，重点阐述了包括变电站设备实时监测、设备故障诊断与故障预测、运维决策优化与智能反馈控制等典型的应用场景。数字孪生技术与变电业务各环节的深度结合，有助于智慧变电站运维管理发展与效能提升、开辟数字化智能变电站运维管理新模式。进一步，数字孪生技术的发展成熟必将推动整个能源电力行业打破数据、技术壁垒，实现电力全产业链上下游企业的价值、技术协同，构建更大范围的数字孪生系统，具有显著社会效益和战略意义。     

基于体外传感检测的人体站起动力学分析

基于人体站起运动三肢段动力学模型,采用自制力传感平台与定制的加速度和角速度传感器,开发了一套非侵入式人体运动传感检测系统,并与实验室光学运动采集系统进行了比对验证;基于所检测的信号计算了下肢各关节力矩,分析了人体站起动力学参数特征。本传感分析系统通过穿戴式体外检测,无需解剖学植入传感器,相较于实验室人体动力学检测和分析方法,传感器数量和种类都有所减少,降低了成本。通过比较分析所开发系统与作为参照的实验室光学检测系统的实验数据,验证了本文检测系统的精度和有效性,可用于人体站起康复运动训练检测和评估系统,进而可用于外骨骼康复训练机器人的控制。     

基于下肢动力学检测分析的站起康复训练机器人控制

提出了人体站起轨迹控制方法(TCM)和阻尼控制方法(ICM)。采用这两种控制方法可以实现对机器人系统的控制,使患者能安全、有效地进行下肢站起运动康复训练。在患者站起过程中,下肢各肢段旋转角、身体运动轨迹、地面反力(GRF)、压力中心(COP)和绳索张力等参数可由康复机器人系统中的相应传感器实时检测得出,并通过实时运算得出髋、膝、踝各关节力矩,用于反馈控制。试验结果表明,该方法可以保证患者实现安全、舒适、有效的站起训练,适用于站起康复训练机器人控制系统。     

排爆作业机器人嵌入式半物理仿真系统

针对排爆机器人的作业需求,开发了一套由嵌入式系统及3D仿真平台组成的半物理仿真系统,对排爆机器人的典型操作任务——危险物探测、爆炸物处理等任务进行仿真实验.采用单片机开发排爆机器人的嵌入式控制系统,运行实际的轨迹规划与控制算法,并按真实的时序产生控制指令;采用VC和OSG软件开发3D实时仿真平台,该平台由动力学模型、系统3D几何模型、双目相机模型、传感器模型等组成,在一台PC机上运行;将嵌入式控制系统与3D仿真平台集成,进行典型工况的闭环控制仿真.仿真结果表明了该系统的有效性.     

下肢康复训练机器人步态规划及运动学仿真

为满足神经受损患者步行康复训练需要,设计了一种具有四自由度步态机构的下肢康复训练机器人,建立了步态机构正逆运动学解析模型;为使机器人能模拟不同步态为患者提供多种训练模式,根据步行运动特征,给出了以步长,步态周期及步态时相为参数的可调步态规划方法.通过基于Matlab＼Simulink＼SiMMechanics环境下的机构运动学仿真分析,验证了运动学模型的正确性以及步态规划的可行性,说明该四自由度步态训练机器人可以模拟正常人步行时的步态和脚踝运动姿态,满足患者步态训练需要.仿真结果还可用于步态机构的参数优化设计,并为后续人机控制系统研究提供必要数据和研究基础.     

新型四臂扶持式康复机器人设计

针对现有康复机器人以健康者为分析模型,灵活度受到限制,脑卒中患者步态康复效果受限的问题,利用医工结合分析治疗师手臂生理结构,模仿治疗师康复手法,建立治疗师手臂模型,创新设计四臂机器人,测量人体髋部运动空间范围,利用运动学仿真得到机器人运动空间范围.结果表明:设计的四臂康复机器人运动空间远远大于人体髋部运动空间,验证了机构的合理性,实现了治疗师手法步态训练模拟,为后续治疗师手法再现模拟提供了基础.     

一种全方位护理移动机器人的结构设计与运动学分析

针对需要护理的环境背景及机器人的作业要求,提出了一种全方位护理移动机器人的设计方法,运用solidworks进行了各部分结构初期设计,并在ADAMS中对该虚拟样机进行了动力学仿真,完成了对选型的电机进行了验证;利用D-H方法建立了机器人上肢单臂运动学模型,得到了机器人的运动学正逆解;通过对上肢双臂建立两杆避碰模型,提出了两种相碰的检验条件,选出了最佳检测避碰方案,解决了约束条件下双臂的逆运动学问题;在Matlab环境下,利用蒙特卡罗法计算出工作空间,为确定机器人构形、参数和杆长的优化提供了依据;基于移动机器人在特定环境中的运行稳定性、应用范围、承载能力等特点,对机器人下肢移动方式进行了优化选择,采用全方位移动的完整约束Mecanum轮结构并建立下肢运动学模型,通过对其逆运动学速度雅可比矩阵秩的计算,结合具体结构的分析,优选出四轮全方位运动系统的最佳结构布局形式,提高了机器人运动过程中的稳定性.