助力下肢外骨骼双膝蹲-起立过程动力学研究

为研究助力下肢外骨骼双膝蹲-起立过程中各关节的驱动力矩,将助力下肢外骨骼视为三自由度的刚性结构系统,建立动力学模型。以达朗贝尔定理推导出双膝蹲-起立过程动力学表达式。为实现助力下肢外骨骼与人体高度偕行,对人体双膝蹲-起立运动过程进行实验分析,以MATLAB为平台分别对负重40kg和无负重下肢外骨骼各关节驱动力矩进行数值计算。根据分析结果得,膝关节在负重40kg时驱动力矩最大,峰值为209.20N·m,平均为75.85N·m;髋、踝关节驱动力矩相对较小,工作能耗低,在无负重状态下仍需9.87N·m和38.80N·m的驱动力矩,能量损失较多;踝关节为保持稳定性导致有较大波动。     

智能跑步机跟随速度自适应控制方法研究

当前跑步机都是外部速度跟随机器完成控制,在变速过程中智能化程度较低,导致变频调速精度和稳定性控制过程很被动,影响了整体的智能化效果。为此,提出智能跑步机跟随速度自适应控制方法。通过设备完成人体静止及运动状态实时数据采集,利用卡尔曼滤波算法结合采集的数据,实现用户加速度预测,根据预测结合用户在跑步机上的受力情况,带入跑步机速度控制器,实现其跟随速度的自适应控制。实验结果表明：所提方法在接近0.2s时达到理想速度,变频调速精度高于95%,证明该方法的稳定性好、响应速度快且调节精度高,整体控制效果好,更能满足用户对于智能跑步机的自适应变速要求。     

下肢康复训练机器人的设计开发

针对当前下肢运动障碍患者众多,而国内传统康复训练设备机械结构复杂、穿戴适应性差、步态训练人机运动精度低和协调性弱等问题,在深入分析了现有康复设备存在不足的基础上,设计开发了下肢康复训练机器人。该机器人的外骨骼机械腿采用曲柄滑块方式驱动关节运动,可自由调节机械腿长度与两腿宽度,再搭配跑步机与减重机构共同组成了机器人的机械部分。同时,该机器人集成了外骨骼腿和跑步机的控制系统,并应用提出的外骨骼腿的位置控制以及与跑步机速度的协同控制方法。最后,在实验室搭建了所设计的下肢康复训练机器人系统,并进行了人体带载实验。结果表明,该康复训练机器人对不同尺寸人体具有很强的穿戴适应性,同时具有精确的轨迹跟踪能力,以及良好的协调运动控制稳定性。     

考虑柔性关节的仿袋鼠跳跃机器人落地稳定性研究

对具有柔性关节的仿袋鼠跳跃机器人落地稳定性进行了研究。用拉格朗日方法建立了机构在着地阶段的动力学方程。结合实例,运用Matlab和Adams软件对机器人进行仿真分析,给出了机器人在着地阶段的各关节转角、关节驱动力矩、着地压力及ZMP随时间的变化规律。分析结果表明:膝关节,特别是踝关节引入柔性关节,不仅能显著地吸收落地能量而获得落地缓冲能力和降低关节输入力矩峰值而减小驱动元件的功率,而且能有效地提高跳跃机构的弹跳能力和落地稳定性。     

下肢步行助力外骨骼机器人的模糊自适应PID控制

针对人体生物学特点及户外步行助行要求,设计了一款下肢步行助力外骨骼机器人。为实现外骨骼机器人对人体下肢助力柔顺性目标,研究并提出了模糊自适应PID控制方法。在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型,比较外骨骼关节力矩控制分别采用传统PID及模糊自适应PID控制算法的跟随效果。由仿真和试验结果可知,模糊自适应PID算法相较于经典PID算法具有响应速度快、超调量小等优点。模糊自适应PID算法对关节力矩跟踪效果有明显改善。在步态周期30%～40%时,误差最大;在步态周期15%～20%时,误差最小,为0.5 N·m。模糊自适应PID算法力矩跟踪曲线更加平滑,与参考输入幅值更为接近,支撑相最大误差为7%,且可以有效抑制外骨骼助力行走过程中带来的关节抖动。力矩跟踪能够达到理想的跟随效果,能够使得不同穿戴者的髋关节助力更加柔顺。     

多用途下肢康复外骨骼结构设计与实验

为有效解决由于脊柱损伤、脑损伤、脑血管疾病及骨关节手术所导致的人体下肢运动功能障碍,提出了一种多用途可拆卸下肢康复外骨骼设计方案,设计了基于扭矩传感器的力感知高集成助力关节,在腿部泛型尺寸结构设计的基础上,提出了一种基于螺纹传动的双向同步快调机构,实现了单手徒手快速调节外骨骼腿部长度的功能.基于外骨骼运动平衡安全性及广泛适用性等问题的考虑,将下肢康复外骨骼与可升降移动护架有机结合,提出了下肢康复外骨骼整体结构及可升降移动护架结构,既保证了外骨骼运动过程中的平衡安全性,又同时适用于轻度、中度、重度等不同程度的下肢运动功能障碍患者.为合理规划下肢康复外骨骼运动步态,进行了平地、上坡、下坡、上楼梯、下楼梯等步态数据的采集及处理,搭建了控制系统.为了验证理论研究成果,加工了实验样机,并进行了相关实验验证.实验结果表明:扭矩传感器具有较高的实时性及准确性,外骨骼具有广泛适应性,结合移动护架可为患者提供有效的减重环境,外骨骼可实现起立、坐下、平地行走、上下斜坡及上下楼梯等功能.     

步速对人体下肢运动特性影响的实验研究

分析步速对人体下肢关节运动特性的影响,为外骨骼等仿生机械的步态控制提供参考。通过三维运动捕捉实验及人体下肢运动分析模型,获得了不同步速(3、4、5、6km/h),人体下肢关节的运动学信息;研究了在矢状面内的人体下肢关节运动角度、角速度在不同步速下的变化规律;同时利用数值拟合,构建了通用髋、膝关节的运动角速度关于步态周期及步速的参数化数学模型。实验表明下肢关节运动角度、角速度基本随步速的增加而变大,并利用实验数据验证了参数化模型的可行性。     

人体下肢关节运动仿真与实验测试研究

基于人体下肢关节运动机理与下肢生物力学,介绍了下肢关节的结构、功能和运动范围。对人体下肢进行简化,建立下肢简化数学模型,获得髋、膝和踝关节的姿态坐标方程。利用UG建立模型,使用Adams与OpenSim分别进行仿真测试,得到下肢关节角度、步高和步长曲线。借助Xsens DOT商用穿戴式传感器进行实验测试,仿真结果与实验测试结果相似,关节的角度、步高步长曲线与实际人体行走时测试结果吻合。表明简化模型和仿真测试合理有效,符合人体下肢行走过程。研究为运动测试、康复医疗和外骨骼设计等领域提供了一种简化研究方法。     

下肢动力外骨骼设计分析与实验

为有效解决下肢肌肉功能退化及中风偏瘫等疾病导致的老年人下肢运动功能障碍,从康复医学的角度,分析了康复运动对下肢功能障碍患者恢复的重要性,结合人体生理结构,建立了人体肌骨模型,进行了肌骨仿真分析。为了准确判断患者的运动意图,设计了3种外骨骼专用传感器。在此基础上,提出了力感知助力关节结构方案,并设计了下肢动力外骨骼整体结构,进行了人机耦合运动学仿真分析。在结构设计的基础上,设计了下肢外骨骼的硬件及电气系统。为了验证理论研究的正确性,加工了外骨骼实验样机,进行了相关实验。实验结果说明,设计的外骨骼专用传感器可以准确获取相应信号,助力关节可以提供较大的关节助力,设计的下肢动力外骨骼能够准确判断患者的运动意图,可以长时间稳定安全地进行平地行走及斜坡行走。     

基于自适应结构的仿袋鼠机器人脚部研究及设计

根据袋鼠的生物结构特征,建立了仿袋鼠跳跃机器人的刚柔混合模型。利用自适应结构的可控性,将其应用于仿生跳跃机器人领域,来实现跳跃机器人在不同跳跃速度下的脚部轮廓变形以及在跳跃过程中脚部的变形。在SolidWorks中建立自适应结构脚的三维模型,运用拉格朗日方法建立机器人动力学方程,在此基础上,用ZMP法建立其落地稳定性的求解方程。结合实例仿真结果表明:具有自适应结构的变形脚有助于提高机器人在着地过程中的落地稳定性,增大起跳时间和调整起跳角度。     

基于改进小脑模型的sEMG下肢关节力矩预测

关节力矩预测在康复医学、临床医学和运动训练等领域有着重要作用,对力矩连续、实时地预测可以使人机交互设备更好地反馈、复刻人体运动意图。为了给患者提供一个安全、主动、舒适的康复训练环境,提升人机交互设备的柔顺性,提出了一种改进型递归小脑模型神经网络模型关节力矩预测方法。该方法采用肌肉协同分析对采集的相关肌肉的表面肌电信号(sEMG)进行降维,将降维后的sEMG特征向量与关节角速度、关节角度作为输入信号,并在小脑模型神经网络中加入递归单元和模糊逻辑规则,以小波函数作为隶属度函数,对非疲劳、过渡疲劳及疲劳这3种状态下的踝关节背屈跖屈运动的动态力矩进行连续预测。力矩预测值与实际值之间的平均皮尔逊相关系数和平均标准均方根误差分别为0.933 5和0.159 8,实验结果验证了该方法对下肢关节力矩连续预测的准确性和有效性。     

轮毂打磨5-DOF机械臂动力学建模与驱动参数预估

提出了一种基于2-UPS+UPU机构的5-DOF机械臂,建立了机械臂的手腕运动状态与其关节驱动参数之间的传递方程显式表达式,从而得到机械臂的伺服电机驱动参数峰值预估模型,计算出各伺服电机中的驱动转速最大理论值为25.1r/s,驱动力矩最大理论值为6.2N*m。以一组具体的结构参数作为算例,计算出伺服电机中的驱动转速最大值为18.7r/s,驱动力矩最大值为4.73N*m,算例伺服电机选型的预估功率为700W,证明了伺服电机峰值驱动参数预估模型的合理性。     

OpenSim对跳跃动作上下肢肌肉协调性的仿真分析

本文基于OpenSim建立了一个包括上下肢在内的人体整体骨骼肌肉仿真模型,通过Vicon红外摄像系统、Kistler三维测力平台以及遥测肌电对摆臂与背手两种原地纵跳动作进行同步测试,并结合逆运动学、逆动力学等仿真工具寻求上下肢肌肉协调工作提升原地纵跳动作效果的实证。结果表明：本文所建立的人体整体肌肉骨骼仿真模型具有高度可靠性,分析得出摆臂原地纵跳动作中三角肌前束对重心的提高贡献最大。研究结果可为将来上下肢助力外骨骼的设计与研究提供帮助。     

外骨骼机器人系统中人体下肢关节力矩动态解算

利用下肢外骨骼关节位移传感器及惯性导航单元采集人体运动信息,计算获得下肢髋、膝关节的相对角度以及躯干的姿态和加速度,通过动力学逆解实时解算穿戴者运动所需的关节驱动力矩。在此过程中,利用人体五杆模型,对人体下肢的运动进行了运动学和动力学分析,通过Matlab/Simulink软件编程求解,得到了人体下肢关节在连续步态周期内关节力矩的变化,通过对比计算获得的支撑踝关节力矩值与足底力传感器实测值,证明了关节力矩求解方法的正确性,保障了外骨骼机器人能够根据此力矩对穿戴者提供助力。     

矢量场逐次迭代的人-机身体交流控制

为使人和机器人在身体交流中保持运动协调同步,提出了基于矢量场逐次迭代的人-机身体交流智能控制方法。对智能控制方法中具有任意目标轨迹的三维空间矢量场逐次迭代系统进行算法设计,使其输出的关节期望位移信号能与输入的扭矩信号保持同步,且同步强度要达到能实现参数可调的目的;分析了具备不同矢量场的两个逐次迭代系统的相互作用情况;以人和机器人身体交流的典型例子--下肢外骨骼助力机器人为对象,对该智能控制方法进行了应用仿真,并分析了关节扭矩成分对同步运动的影响。仿真结果表明该控制方法有效。     

基于人机耦合模型的上肢康复外骨骼闭环PD迭代控制方法

针对多关节上肢外骨骼重复性康复训练非线性求解困难问题,提出了一种闭环PD迭代学习控制方法。基于人体工学确定了六自由度上肢外骨骼康复机械臂的参数、自由度配置与关节运动范围。以人机交互力为耦合方式,建立了基于牛顿-欧拉法的人机耦合模型,完成了人机耦合动力学模拟分析。基于迭代学习控制理论提出外骨骼康复机械臂的闭环PD迭代学习控制方法,通过建模仿真分析了肩关节/肘关节迭代学习控制的轨迹误差、人机交互力和驱动力矩。第三次迭代后的轨迹误差小于0.05 rad,PD迭代学习控制器的输出对系统控制进行了有效的补偿,提高了系统状态的稳定性。研制了六自由度上肢外骨骼康复机械臂样机,开展试验测试。试验结果表明,随着控制试验在迭代域上的运行,系统的输出向着期望的系统状态转化,所提出的迭代学习控制算法可以提高上肢外骨骼康复训练重复性运动的控制精度,进而提高人机交互性能。     

受生物启发的扑翼飞行器弹跳机构概念设计

针对扑翼飞行器自主起降能力缺失、严重影响其适用场景的问题，开展了仿生弹跳机构设计研究。对鸟类跳跃起飞过程中典型的运动状态进行分析，结合其各阶段的后肢骨骼结构、重心、力、速度等运动变化规律，对扑翼飞行器弹跳起飞动态过程进行了设计。基于鸟腿的骨骼解剖学结构，设计了闭链齿轮-五杆仿鸟腿弹跳机构，并基于D-H法推导出弹跳机构运动学方程，利用拉格朗日方程建立了弹跳机构起跳阶段的动力学方程。对弹跳机构进行了详细结构设计，采用ADAMS对简化的弹跳模型进行了仿真分析。仿真结果显示，借助该仿生弹跳机构，扑翼飞行器系统质心速度达到8.4 m/s，大于“信鸽”飞行器起飞所需的速度7.9 m/s，具备弹跳起飞的可能性。     

Intersegmental dynamics of the lower limb in vertical jumps

The purpose of this study was to investigate changes in intersegmental dynamics of the lower limb at the instant of push-off in vertical jumps. Using a mathematical model including dynamic equations, the net joint moment (NET) was decomposed into a muscle moment (MUS), gravitational moment, and interaction moment (INT) in terms of joint acceleration and velocity. Ten subjects performed two submaximal jumps(60% and 80% of maximal height) and one maximal jump. Results showed that the hip and ankle joints mainly utilized MUS to generate NET at the push-off instant, while the knee joint primarily used INT at the instant of push-off. The hip MUS increased with increasing jump height because the deep countermovement (larger flexion angle of hip and knee joint at the push-off instant) in maximal jump was a disadvantage from intersegmental dynamics, but may be neurophysiologically advantageous.     

双摇杆假肢膝关节的运动学与动力学分析

膝关节是人体正常运动的重要部位.为了满足下肢截肢患者恢复正常运动功能的需求,设计了一款双摇杆机构的假肢膝关节.首先,建立了下假肢的简化模型,通过对模型的运动学分析,获得了相关关节角度、角速度、角加速度等参数.通过动态静力分析法对双摇杆的各个杆件进行动力学分析,最终得到输出阻尼力与驱动力矩之间的平衡方程.通过Adams仿...     

间歇性单足弹跳机器人落地冲击及稳定性分析

弹跳式机器人落地时与地面的撞击会造成机载设备的损坏 ,而且由于足部受力不均导致机构易翻转 ,难以保持正常的姿态继续弹跳。本文首先建立间歇式弹跳机构的双质量弹簧模型 ,对其进行动力学分析 ,并将弹跳动作划分为四阶段 ,分析了除起跳外其他三个阶段中所受外界作用。经过计算分析 ,最终归纳总结出五条减小落地冲击力及保持稳定的改善措施 ,这些措施为实用弹跳机构的设计提供了有益参考