一种混联式上肢康复外骨骼结构设计与分析

针对现有上肢外骨骼存在的精度、稳定性与外骨骼体积之间的平衡问题,提出了一种8自由度的混联式上肢康复外骨骼机器人;设计了一种新型的2自由度肘部康复装置,代替传统的单自由度肘部外骨骼,旨在更好地实现上肢运动障碍患者的肘部训练;设计了一种共轴球面的3RRR/S机构,用于手部康复,可使手部的康复训练更具包裹性。根据混联外骨骼机构确立坐标系,使用矢量环路法建立机构刚体部分的运动学模型,并通过蒙特卡洛法绘制机构工作空间云图,验证其满足康复训练所需空间要求。最后,通过Matlab对一典型运动进行轨迹规划,在Adams获得末端质心运动平稳轨迹,验证了其运动学分析和结构设计的合理性;并通过约束多余自由度仿真其最大负载姿态,绘制其负载特性曲线,为驱动选取和样机搭建奠定基础。     

末端牵引式上肢外骨骼结构设计与运动学分析

针对上肢外骨骼关节互联性较差、智能化水平低、本体尺寸较大及制造成本较高等缺点,设计了一种结构简单、价格低廉且可批量定制的新型桌面式三自由度末端牵引式上肢外骨骼。首先,根据患者的康复功能需求,结合人体上肢的尺寸进行整体的结构设计;其次,使用有限元仿真软件Ansys Workbench对关键零/部件进行静力学仿真,优化零件刚度、强度及尺寸,从而验证外骨骼材料及尺寸的合理性;然后采用Denavit-Hartenberg(D-H)参数法建立坐标系,推导了正运动学并对末端位姿工作空间进行求解,并绘制了工作空间点云图;最后,使用Adams软件对末端牵引式上肢外骨骼进行了运动学分析。结果表明,末端牵引式上肢外骨骼结构设计合理,能够满足上肢运动功能障碍患者的康复训练要求。     

外骨骼上肢康复机器人的结构设计与仿真研究

针对上肢轻度瘫痪患者自主进行康复理疗训练的问题,在深入了解传统康复训练的弊端和康复机器人所应具备性能的基础上,提出了一种可穿戴式的外骨骼上肢康复机器人设计方案。首先,从仿生学角度出发,对该康复机器人的整体机械结构进行了建模,并设计了3处长度调节固定机构;然后,对机器人各关节驱动力矩进行了理论分析与计算,通过模型动作编写了step函数,将函数与三维模型图导入Adams进行了动力学仿真;得到了各关节的驱动力矩曲线图,再将其与理论计算结果作了对比分析;最后,对肩关节支撑板和大臂支撑板进行了强度分析。研究结果表明:该外骨骼上肢康复机器人结构设计方案具有较高可行性,能帮助患者实现康复训练。     

主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人的设计与效能评估

针对上肢外骨骼机器人对使用者腰背产生过重负荷的问题,设计了一种主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人,利用无源下肢外骨骼来承担部分负荷。基于助力外骨骼应用场景和人体结构特征分析,建立外骨骼机器人的机械结构模型,完成运动学仿真分析,验证了模型的合理性。为解决外骨骼机器人效能评估问题,提出一种模糊综合评估模型,详细介绍了外骨骼机器人的效能评估方法,评估结果为性能良好。研制外骨骼机器人样机,搭建总体控制系统,开展助力性能和负重性能测试实验。实验结果表明,所设计的上下肢一体化助力外骨骼机器人可承受20 kg的负载且对穿戴者提供一定的助力效果。所提出的模糊综合评估模型,为外骨骼机器人的优化设计提供了方向和理论依据。     

一种多功能下肢外骨骼机器人的设计与仿真分析

针对老年人以及下肢运动障碍患者的康复训练和运动代步的需求,设计了一种多功能下肢外骨骼机器人,利用辅助起立机构和腿部外骨骼实现对使用者下肢的康复训练。分别了建立外骨骼机器人单腿支撑阶段和双腿支撑阶段5杆模型,采用拉格朗日方法推导出动力学模型,计算各关节所需的理论力矩;建立虚拟样机模型进行动力学仿真,仿真数据与理论数据进行比较,验证了理论推导的准确性和外骨骼机器人设计的合理性,为后续电机选型提供了依据。     

外骨骼上肢康复机器人的运动学研究与验证

为使人机协作更加紧密,确定合理精确的上肢运动模型,根据人体上肢解剖结构,提出一种8关节上肢外骨骼康复机器人的设计。在以往上肢机器人基础上做出改进,根据上肢复杂结构建立精确的等效运动学模型,实现机器人与肩关节内部结构变化的紧密结合,可有效缓解治疗中的不适;进而准确模拟出上肢运动可达的工作空间,并利用简洁的逆运动学算法对各关节变量进行求解;根据人体运动特性,运用倍四元数位姿插值法进行任务空间的轨迹规划,并通过SolidWorks、MATLAB、V-REP软件仿真验证,证明了设计的合理性与算法的可行性。     

两肢通用型上肢康复机器人系统设计与研究

随脑卒中等上肢运动功能障碍患者逐渐增多，上肢康复机器人的应用越来越广泛。针对现有上肢康复机器人存在质量较大、结构不紧凑、人机融合性差、移动不便以及仅适用于单侧肢体康复等问题，设计了一种满足左右两肢康复的通用型外骨骼上肢康复机器人。首先对上肢康复机器人整体结构采用SOLIDWORKS进行建模；其次围绕上肢康复机器人控制系统，阐述了机器人基于CAN总线的软硬件系统开发；最后，为验证设计的准确性，使用ADAMS进行了运动学和动力学仿真，加工出实物样机，进行多种模式的康复训练实验。实验结果表明：所设计上肢康复机器人可满足患者康复训练需求。     

四臂医疗转运机器人设计及仿真平台搭建

针对医护人员短缺问题提出一种新型四臂医疗转运机器人,该机器人可在病床和轮椅之间转运行动不便的病人.对机器人结构进行设计,对机械臂进行正逆运动学分析.为研究机器人的控制算法,利用Webots软件搭建机器人仿真平台,在Webots中建立仿真工作环境、机器人模型和病人模型,编写底层控制器;利用Qt开发带人机界面的上层控制器,并通过TCP/IP与底层控制器进行信息交互.通过病人起坐仿真实验,验证了仿真平台的可行性,验证了机器人结构的可行性,为该机器人的后续研究奠定了基础.     

基于摇杆滑块机构的外骨骼肘关节优化设计

针对当前上肢外骨骼肘关节活动范围受限和助力效果不佳的问题，设计了一种基于摇杆滑块机构的上肢外骨骼。通过D-H参数建立上肢体外骨骼机构的运动学模型，对其工作空间进行了分析。基于摇杆滑块机构进行上肢体外骨骼的结构设计，并对其进行力学分析，为气缸选型提供依据。基于ADAMS软件建立的参数化模型进行上肢体外骨骼肘关节尺寸优化，优化后的肘关节运动范围提升显著。通过ANSYS软件对关键部件进行了强度校核，搭建物理样机采集上肢肌电信号进行助力性能评估，验证了上肢体外骨骼机构具有较好的助力效果。     

下肢康复机器人仿真分析及研究

设计了一种用于中风患者下肢康复训练的双臂机器人。在对其机械臂的结构进行简化后,使用D-H前置坐标系法建立运动学分析模型,得到机械臂末端位姿表达式以计算其逆解。基于蒙特卡洛法绘制出机械臂的工作空间之后,使用MATLAB中的Robotics Toolbox工具箱对其正逆运动学进行仿真,验证了运动学模型的正确性。另外,针对机器人关节空间进行了轨迹规划,得到了较为平滑的角位移、角速度、角加速度曲线。最后把关节位移数据进行拟合,并且将SolidWorks模型导入Adams软件进行动力学仿真,得到各关节力矩的变化曲线,为机械臂的精密控制奠定基础。     

上肢康复机器人发展现状的分析与研究

首先对上肢康复机器人的现状及发展进行了阐述,分析了当前康复机器人系统所存在的不足,并结合临床康复医学理论及临床康复经验对上肢康复机器人的结构、训练模式、评价方法及应用细节提出了建议.在此基础上提出了一种应用于偏瘫患者康复训练的外骨骼式上肢康复训练机器人,针对现有不足及提出的建议对该机器人进行了设计与实现.     

上肢外骨骼机器人的阻抗控制与关节试验研究

外骨骼机器人穿戴于人体上,可以作为一种助力、增强或者交互的工具,应用于康复、遥操作等领域。针对上肢外骨骼机器人的人机交互控制问题,提出一种上肢外骨骼机器人的阻抗控制模型,并建立了一体化关节的动力学模型,详细设计了单关节的阻抗控制方法。基于外骨骼机器人在人机交互控制中的随动任务特性,设计了基于力的阻抗控制方法以及基于位置的阻抗控制方法。针对阻抗控制模型为二阶系统的特点,提出了阻抗控制参数优化分析的方法。建立了单关节阻抗控制的数值仿真模型,通过仿真试验分析了惯性参数、阻尼参数、刚度参数以及人机接触刚度对阻抗控制性能的影响。开展了单关节系统的阻抗控制硬件试验。试验结果表明单关节系统的触碰检测、重力补偿以及阻抗控制均可实现,并且操作者与关节系统可以实现协同运动。     

基于运动想象脑电信号分类的上肢康复外骨骼控制方法研究

为解决偏瘫患者在主动康复训练中对上肢外骨骼的控制难题,提出一种基于单次运动想象的脑电信号分类方法,并将其应用于自主研发上肢外骨骼的实时控制中。针对脑电信号信噪比低、个体差异较大的问题,提出一种改进的共同空间模式(Common spatial pattern,CSP)特征提取算法,并结合支持向量机(Support vector machine,SVM)分类器,实现对单次运动想象脑电信号的分类;使用此分类方法对两种不同试验范式建立分类模型,并对其分类表现进行评估;将较好分类表现的分类模型应用于上肢外骨骼的实时控制中,验证方法的可行性。所有被试对上肢外骨骼控制的平均成功率达到87.12%±2.03%。试验结果表明,基于所提出的运动想象分类方法,可以实现上肢外骨骼的准确控制,并为面向康复训练的脑机接口技术提供了理论依据和实践基础。     

基于插值时间相同的4-1-4样条插值的机器人轨迹规划

设计一种新型的5-DOF上肢外骨骼康复机器人,首先分析了该机器人的机械结构,基于D-H参数法建立了该机器人的D-H坐标,根据其坐标求出了其正,逆运动学方程。为了使病患的康复训练具有舒适性和平稳性,提出了一种基于相同时间插值点的用四次多项式过渡的线性插值函数,用来规划上肢外骨骼康复机器人的轨迹。最后进行了单个和多个关节的轨迹规划,并通过求出的正运动学方程和插值函数作出末端位移、速度和加速度的图像,并在Adams中对用1:1模型建立的上肢外骨骼康复机器人进行实体仿真,来验证此方法的正确性和可行性。通过对单关节和多关节轨迹规划参数的分析,然后将其结果与Adams中的仿真数据进行对比,证明了该方法的可行性和稳定性,可以被用在康复机器人的轨迹规划中。     

下肢康复外骨骼机器人结构拟人设计与运动学分析

下肢康复外骨骼机器人是一种可以辅助脑卒中导致运动功能障碍患者肢体运动和康复训练的机器人。基于人体下肢生物力学特点,提出了下肢外骨骼机器人设计方案,研究了下肢康复外骨骼机器人的机构设计原理及过程。针对外骨骼髋关节的关键零件设计进行详细阐述,研究了准拟人化设计的比例参数,使用了拓扑优化方法对膝关节电机架进行轻量化设计。基于D-H法分析了外骨骼机构的运动学关系,得到坐标转换矩阵。通过ADAMS软件进行运动学仿真,验证了运动学分析的可靠性。     

基于人体工程学的拟人机械臂构型综合及研究

以人体工程学为基础,对人体上肢进行运动机理分析和结构分析,结合人体解剖学和机器人学,构建12种不同的7自由度串联拟人机械臂构型。应用D-H法对筛选出的机械臂构型建立关节坐标系并确定杆系参数,建立机器人运动学模型,用Robotics Toolbox工具箱对机械臂正运动学进行仿真,对关节空间的运动轨迹进行规划,从而验证机械臂结构模型设计的合理性,为后续实现机器人动力学分析、轨迹规划和运动控制奠定了基础。     

一种新型三臂式巡线机器人设计

为了保证输电线路的安全稳定运行,需要定期对其进行巡检,针对具有防震锤、悬垂线夹、耐张线夹、带有转弯跳线杆塔的复杂的高压输电线路目前没有应用于实际线路的巡检机器人的问题,设计了一种新型的、具有多种方式越障的三臂机器人。该机器人由旋转副、移动副、行走刹车于一体的前臂与2个具有刹车功能和旋转副的异位随动后臂构成,通过前后臂的配合实现越障巡检的能力。然后针对具有防震锤、悬垂线夹等障碍的输电线路,详细设计了机器人的越障方法,最后建立了巡检机器人的仿真运动模型,通过仿真分析,验证其避障过程,结果表明该机器人机构设计合理、避障样式多样化及越障过程简洁化,因此该机器人具有很好的环境适应性,在保证速度的同时能够安全稳定运行。     

一种缝纫双机械臂的建模与工作空间分析

针对方向盘产能受制于皮套缝纫的问题,设计一种双机械臂自动化系统。运用D-H运动学建模方法,分析建立机械臂各关节坐标系并确定其参数,建立机械臂的运动学模型,推导末端执行的位姿,并通过Matlab软件的机器人工具箱进行仿真,对比计算结果以验证模型的准确性。为确定双机械臂的协作空间,采用蒙特卡洛法,利用Matlab软件的均匀分布函数,求解机械臂的工作空间,绘制工作空间的三维点图,从而为后续机械臂的轨迹规划和运动控制提供依据。     

上肢外骨骼助力系统集成化设计与有限元分析

根据托举搬运的工况要求,设计了一种上肢外骨骼助力系统,该系统具有可穿戴、易操控、高随动及大承载等特点。根据人体上肢结构、运动的特点,采用集成化设计方法建立了上肢外骨骼助力系统的Inventor模型,设计了能托举搬运40 kg重物的上肢外骨骼助力系统,并对框架式机械臂、多级转阀式肘肩关节、转阀驱动机构进行了较为详细的分析说明。对上肢外骨骼助力系统的助力原理进行了分析,并对其创新点进行了总结归纳。为了提高上肢外骨骼助力系统的安全性,利用ANSYS Workbench软件对其关键零/部件进行强度分析,分析结果表明上肢外骨骼助力系统的关键零/部件强度符合安全要求,保证了使用的安全性,并为后期的进一步优化设计提供了设计参考。     

基于虚拟样机技术的外骨骼助力搬运机器人结构设计与仿真研究

针对现有外骨骼助力搬运机器人结构复杂、价格昂贵的问题,对外骨骼助力搬运机器人虚拟样机技术的结构设计、运动学与控制仿真展开了研究。设计了一款结构相对简单,在人体弯腰搬运重物时对人体腰部提供助力,且肘关节设计为自锁机构的可穿戴全身外骨骼助力搬运机器人;通过对外骨骼下肢运动学模型建立了D-H坐标,进行了正逆运动学分析;利用虚拟样机技术,采用人体步态行走时所采集的实验数据,对外骨骼助力搬运机器人进行了步态运动的仿真分析与联合控制仿真。研究结果表明:所设计的外骨骼助力搬运机器人的步态仿真运动与人体的实际数据相符,验证了所设计结构的稳定性与可靠性。