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.     

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.     

基于力反馈导纳控制的踝关节柔性外骨骼

针对踝关节康复训练的需求,分析踝关节的运动机理,运用模块化驱动单元与鲍登线,设计轻量化、易穿戴的柔性踝关节外骨骼机器人,实现踝关节跖屈/背屈、内/外翻的运动辅助.柔性外骨骼在背屈和跖屈阶段分别采用位置控制和力矩控制.位置控制以传统PID为主;力矩控制以力为反馈信号,建立交互力差值与鲍登线内芯位移补偿之间的导纳模型.通过Sigmoid变形函数实现导纳参数的动态调控,满足辅助力矩输出和人机交互柔顺性的需求.实验结果表明,位置跟踪误差不超过0.46 cm,力输出误差为-1.5～1.5 N,能够满足人体康复训练的需求.     

液压驱动六足机器人步行腿性能

针对所设计的一种基于液压驱动的六足机器人步行腿,建立了腿部运动学模型并分析了其足端运动空间。构建了腿部性能测试系统,设计了性能测试台控制系统硬件,并开发了运动测试软件。试验结果表明:腿部单关节的运动跟踪误差和关节协调运动跟踪误差均小于1°,关节动态特性满足频率0.5Hz时幅值衰减小于-3dB,验证了步行腿性能能够满足六足机器人的运动需求。     

辅助站立装置的设计与研究

随着老龄化社会的来临,老年人的日常独立生活备受关注。其中,生活中重复较多的坐立动作已成为越来越多老年人,特别是患有脊椎腰椎损伤、骨质疏松、腿部疾病的老年人不得不面对的严峻挑战。基于此,提出了一种辅助人体站立的装置,旨在帮助老年患者完成频繁的坐立动作。首先,分析了人体自然站立的运动学过程,建立了简化的人体站立数学结构模型,通过自然站立实验测定了人体膝关节的角度变化特性。其次,基于人体自然站立过程的运动学特性设计了一款人体辅助站立装置,并运用Solidkworks软件完成了机构的三维建模。最后,采用ADMAS软件进行运动仿真,确定了人体辅助站立装置的运动参数。通过实验和仿真数据对比可知,该装置符合人体自然站立的运动学规律,具有一定的辅助站立功能,可以运用在一些特定的场合如站立康复训练、久坐场合等。     

管道内壁四足爬壁机器人的运动学与步态规划

研究用于检测气体绝缘金属封闭开关（GIS）内部的负压吸附管道内壁四足爬壁机器人. 分别对机器人的腿部和机身进行运动学分析,采用改进的牛顿迭代法解决机身正运动学求解困难的问题. 对机器人沿管道轴向和圆周方向的爬壁运动进行步态规划,提出运动过程零冲击的轨迹规划方法. 使用Adams进行运动仿真,并在四足爬壁机器人样机上进行水平和垂直管道的全方位爬壁实验. 结果表明：机器人的运动轨迹与所规划的步态一致,运动过程中速度与加速度无突变,运动平稳,无明显冲击,运动学模型的正确性和所规划步态的合理性得到验证. 在GIS管道的实际检测应用中,实现机器人在不同工况下的平稳爬壁运动与检测.     

脑瘫儿四肢康复训练椅结构设计分析

根据脑瘫儿童四肢康复训练的基本需求,设计了一套能够进行辅助站立、辅助行走及辅助进食等多种康复训练功能的机构.根据模块化设计原理研制了一款能够辅助脑瘫患儿进行康复性训练的多功能四肢康复训练椅.通过一系列理论分析,对脑瘫儿四肢康复训练椅各结构进行设计参数确定.     

UG环境下内燃机配气机构的运动仿真

针对内燃机配气凸轮机构的工作要求,在UG NX4平台上绘制凸轮轮廓曲线,建立了机构虚拟样机模型.在Scenario For Motion模块中运用ADAMS实现了机构运动仿真,得到内燃机气门运动的位移、速度和加速度曲线,其最大开隙、柔性冲击等机构运动特性满足理论的运动学要求.仿真结果能够反馈至CAD模块修改和完善凸轮机构几何参数与装配关系等.该方法能够迅速实现复杂机构的优化设计,为虚拟样机的开发及其运动学和动力学的研究做出了有益的探索.     

有并联脊柱的四足机器人步态规划

为了增加足式机器人的腿部运动范围和吸收地面冲击力,在刚性躯体四足机器人的基础上,设计3-RPS并联机构作为机器人的脊柱.建立有脊柱四足机器人的运动学模型,得到脊柱关节的周期性与质心位置的关系.在对角步态的基础上,利用脊柱偏航方向的自由度,规划了脊柱扭转对角步态.采用Hopf振荡器,建立耦合中枢模式发生器（CPG）网络输出步态曲线.通过与刚性躯干四足机器人的对比仿真和实验可知,主动脊柱的加入使机器人运行过程中的俯仰波动降低45.79%,矫正了偏航位置. 脊柱关节的周期性转动不会引起质心位置的突变.脊柱波动与肢体摆动间的协调,使得有脊柱四足机器人具有更优的运动性能.     

基于矢量法的双肘杆机构运动学分析及参数优化

采用矢量法建立模切机双肘杆机构的运动学模型,并通过矩阵运算推导机构各构件运动规律的表达式.利用Matlab编制了机构的运动学程序,并结合算例对双肘杆机构进行了运动学仿真.仿真结果与前人经由ADAMS的分析结果一致,表明所建运动学模型能够正确反映机构的运动特性.运动学仿真曲线还表明,动平台工作时相对水平面呈微小角度的摆动.为了改善机构的运动特性,以动平台摆角标准差最小为优化目标函数,使用Matlab优化工具箱,调用fmincon函数,对机构进行参数优化设计,优化结果表明机构的运动性能得到一定程度的改善.     

基于CATIA环境下的下肢康复器械系统评估

以一款下肢康复器械为例,调整人体模型各关节角度,模拟人体在使用下肢康复器械过程中的姿态,运用CATIA软件强大的人机分析模块,对人体使用康复器械进行系统评估,得出康复器械设计的优化数据,对未来的下肢康复器械设计起到更好的指导作用.     

基于相位划分的下肢连续运动预测

为了实现针对特定个体的运动特点进行更精确的下肢连续运动预测和用更短的时间开展预测模型训练,采用对每个步态相位都建立预测模型的方法. 在识别出当前的步态相位后,使用当前相位的预测模型进行关节角度的预测. 使用支持向量机（SVM）,对提出的方法进行验证. 实验表明,采用基于相位划分的下肢连续运动预测方法相比于对整个运动状态进行关节角度建模的预测方法,具有更高的预测精度和更短的模型训练时间. 髋、膝、踝关节的预测结果与真实值的相关系数均大于0.99,每次预测的角度与真实值的平均均方根误差均小于2°,训练时间缩短4.0~5.0倍.     

形状记忆合金驱动手指功能康复外骨骼设计

为了研制适应关节黏弹特性、轻便、可穿戴的手指功能康复装置,在分析手指关节、肌腱运动机理的基础上,设计形状记忆合金（SMA）丝驱动的手指功能康复装置.建立该装置的运动学模型和SMA驱动模型,提出基于SMA丝电阻反馈的模糊神经网络PID控制方法,研制手指功能康复外骨骼样机,进行样机的运动性能和控制性能实验.结果表明,仿生外骨骼实现了预期的手指被动康复运动,拇指、食指和中指的最大弯曲角度与人体手指的弯曲角度相近,分别为130.5°、236.4°、242.5°;仿生外骨骼能够辅助手指完成日常抓握动作;模糊神经网络PID相比于传统PID控制,有效缩短了仿生外骨骼的响应时间,手指的屈伸康复频率为6次/min.     

一种大型太阳模拟器机械系统的设计

针对太阳模拟器的光出射角度不可变和太阳模拟器温控系统不好解决的问题,提出了一种大型太阳模拟器方位和俯仰回转机构及其控制系统和太阳模拟器温控系统的解决方法。方位与俯仰回转机构采用U-T型框架结构,轴系采用滚动轴承支撑结构,机械传动系统采用蜗轮蜗杆传动机构,温控系统采用水冷方式,通过计算机控制系统,完成对方位与俯仰回转机构转角的角位置控制,进而得到不同出射角度的出射光路,通过温控系统完成对氙灯和积分器的冷却。通过对比,发现这种回转机构为试验验证能带来更多的便利,温控系统能有效的控制模拟器温度。结果表明,设计出的方位回转±180°、俯仰回转±30°、转角精度≤0.5°的回转机构以及太阳模拟器温控系统能够满足使用要求。     

Development of the NWPU20 Micro Air Vehicle

1Introduction Microairvehicles(MAVs)aredesignatedbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA)oftheUnitedStates(US)asaclassof aircraftwithalargestlineardistancebetweenany twopointslocatedonthevehiclenogreaterthan6inchesandarecapableofoperatingatspeedsof40milesperhourorless[1].ThemaingoalforMAVsistoprovide inexpensiveandexpendableplatformsfor surveillanceanddatacollectioninsituationswhere unmannedairvehicles(UAVs)arenotpractical.SomeofthepotentialmissionsforMAVsare visualreconnais…     

用于康复训练的分段式气动软体驱动器

针对手指康复训练中软体驱动器贴合度低、灵活性差、运动传递不准确等问题,基于仿生原理设计分段式气动软体驱动器. 通过3个具有锯齿结构半波纹管气囊实现软体驱动器的分段弯曲,嵌入柔性应变传感器实现软体驱动器本体感知. 建立半波纹管气囊弯曲变形数学模型,借助有限元分析对半波纹管气囊进行分析,研究壁厚、波纹宽度、波距和波纹数目对该气囊弯曲性能和末端输出力的影响,选取软体驱动器尺寸参数. 采用3D打印技术及失蜡铸造工艺,制作分段独立驱动的软体驱动器. 特性测试结果表明：分段式软体驱动器最大弯曲角度为302°,末端输出力为3.33 N,能够带动手指进行分关节康复训练,内嵌的柔性应变传感器可以实时监测软体驱动器弯曲状态.     

焊缝形式对自卸汽车车箱结构强度的影响

为分析焊缝形式对自卸汽车车箱结构强度的影响,建立了以板壳单元为基本单元的有限元分析模型,采用多体动力学仿真分析软件SIMPACK,仿真计算得到了油缸的举升力,按朗肯主动土压力理论计算得到了装载的砂石对各板的作用力,应用Hyperworks有限元软件对连续焊和断续焊缝车箱结构强度进行了静态强度分析。结果表明,车箱举升角为1．2。时,断续焊的最大应力比连续焊的最大应力大60．4MPa,举升角为51。时,断续焊的最大应力比连续焊的最大应力小32．5MPa,但断续焊的最大应力均在材料的许用应力范围内,采用断续焊可以提高生产效率。     

助行训练机器人骨盆位姿控制机构动力学研究

为了辅助病人完成行走训练,提出了一种助行训练机器人骨盆位姿控制机构.根据该机构的原理简图和各杆件的受力,利用牛顿定律分别建立了各杆件的动力学方程.基于联立约束法建立了骨盆位姿控制机构的动力学模型,并根据骨盆位姿的运动规划完成了动力学仿真分析,得到了机构的驱动力(矩)曲线和各杆件的加速度曲线.仿真结果表明,该骨盆位姿控制机构能够实现人体骨盆的位姿控制,动力学仿真可以方便地获得机构的运动参数.该研究为实现助行训练机器人的控制及性能改进提供了理论依据.