2自由度手臂康复机器人运动学及动力学分析

针对上肢康复训练需求,设计一种采用二连杆串联结构的2自由度手臂康复机器人。基于D-H法对机器人的正、逆运动学进行理论分析,采用Matlab/Simulink和SimMechanics工具箱分别搭建机器人的正逆运动学理论模型与机构模型进行仿真对比,分析结果验证了机器人运动学建模的正确性。结合人体工程学相关标准和手臂关节运动范围要求,建立机器人与手臂机构的联合仿真模型,确定机器人的工作空间;并完成机器人进行画圆训练的轨迹规划,为机器人运动控制奠定了基础。基于联立约束法建立机器人的动力学模型,确定了机器人各关节驱动力矩大小,为驱动电机选取和控制器参数选择提供了依据。     

基于虚拟现实技术的三自由度上肢康复机器人的轨迹规划

为使脑卒中患者能够长期坚持康复训练,将虚拟现实技术与康复机器人相结合,建立人机交互康复训练环境。为适应处于不同患病时期的患者,设计主动模式和被动模式,针对不同模式设计不同训练环境。在主动模式下需要规划机械人手柄末端运动轨迹,为解决三自由度康复机器人机构逆运动学求解过程中的多解问题,采用在ADAMS中建立虚拟样机的方法进行正逆运动学仿真分析。仿真结果验证得到的机械末端运动轨迹与预设轨迹相同,证明机构具有良好的运动性能,为运动控制系统设计提供理论依据。     

2URR-SRR-RUPUR并联式腿部康复机器人机构设计与运动性能分析

基于腿部关节康复机理,提出了一种2URR-SRR-RUPUR 4自由度并联式腿部康复机器人,该机构能够实现踝关节的外展和内收运动、膝关节的屈伸运动、髋关节的内旋和外旋运动以及腿部的牵伸运动。基于螺旋理论分析了该机构在一般位型和初始位型下的约束螺旋系和自由度性质。建立了2URR-SRR-RUPUR并联机构的运动学模型,采用闭环矢量法求解机构的运动学逆解并分析了机构的速度雅可比矩阵,在此基础上,对机构的工作空间和奇异性进行研究,得到了机构的工作空间图和奇异位型。基于腿部关节康复运动路径对机构进行轨迹规划,将规划结果采用SolidWorks Motion软件进行运动仿真分析,仿真结果表明,机构运动连续平滑,适合腿部康复运动训练,具备良好的应用潜力。     

六自由度机器人设计分析与实现

对六自由度机器人进行运动学分析,用D-H方法获得了运动学正解、运动学逆解,为运动学轨迹规划打下基础。根据逆解和运动过程的要求,对六自由度机器人进行轨迹规划。将MATLAB软件中轨迹规划的结果在ADAMS软件中进行虚拟仿真,得到的实验数据为机器人运动过程的研究和结构优化提供理论依据。     

一种串并混联的上肢康复机器人轨迹规划研究

随着我国脑卒中患者数量不断增加,机器人技术在脑卒中患者康复训练中将被大面积运用,而康复机器人的轨迹规划能力将直接影响其使用性能和实践应用,针对此问题,以一种串并混联上肢康复机器人为研究对象,使用向量法对该康复机器人进行了逆运动学分析,提出了一种基于五次B样条曲线的规划算法对该康复机器人进行了轨迹规划,使用Matlab仿真了复杂三维康复运动曲线,并在自主研发的上肢康复机器人实验平台上进行了多种类型康复轨迹实验,实现了新型串并混联上肢康复机器人康复轨迹的个性化。结果表明,根据治疗师输入的康复点位序列,可以快速生成光滑、平顺的康复轨迹,并且在实验平台上准确执行,验证了轨迹规划算法的正确性、可行性。     

下肢康复机器人逆运动学数值解法

针对机器人逆运动学数值解法中可能出现的雅可比矩阵奇异性问题,提出改进的求解方法,采用关节微变量近似值避免雅可比矩阵的求逆计算,其值由雅可比矩阵和误差矢量决定。以6自由度下肢康复机器人为例,建立8种不同基础坐标系和末端坐标系组合的运动学模型,运用MATLAB软件对算法进行编程,对末端任一位姿进行逆运动学求解,将每次迭代的位姿误差绘制成曲线,对误差曲线进行对比分析,确定运动学模型对数值解法的影响,在此基础上对算法进行改进,可以证明运用改进后的算法可以求得较高位姿误差精度的运动学逆解。     

基于组合函数的脚踝康复机器人轨迹规划

针对所设计的混联式脚踝康复机器人的轨迹规划问题,对该机构并联部分的运动学逆解、轨迹规划方法、推杆输出控制进行了研究,提出了一种摆线函数和矩形函数相组合的康复轨迹,推导了其加速度、速度和位移的解析表达式。对比分析了该组合轨迹函数和传统摆线形式的轨迹函数对脚踝康复机构运动启停平稳性、最大速度、最大加速度以及刚性冲击的影响;最后,根据运动学逆解,计算了康复机构作跖屈/背屈运动时各推杆的输出量,并将其导入ADAMS进行了仿真实验,探讨了不同组合函数下各推杆的运动参数以及末端参考点的运动轨迹。研究结果表明:采用组合函数形式轨迹的新型混联式脚踝康复机器人能为患者提供一种启停平稳性较好,最大速度/加速度小、刚性冲击较小的康复运动。     

并联踝康复机器人的设计与运动性能评价

对于足下垂和马蹄足内/外翻患者,均需对踝关节进行大量、重复性的康复训练,踝康复机器人是弥补人工康复训练不足、降低医师工作强度的关键设备。将踝关节的解剖结构及运动特性考虑在内,提出并研制■型并联踝康复机器人样机,可保证人-机转动中心近似重合。同时,搭建了作用力/矩信息采集平台,实现踝关节的被动、主动及人机交互训练,提高了机器人、患者及医师之间的交互能力。建立了踝康复机器人的运动学模型,通过求解其位置逆解,得到了机器人的理论工作空间。借助机器人样机的3转动自由度,精确地测量得到踝关节全域范围内的生理运动范围。通过机器人样机的全范围自主运动,记录并获得装置的有效工作空间,机器人有效工作空间小于理论工作空间,有效工作空间的测量具有较大的实际意义。进一步,对比分析机器人样机的有效工作空间和踝关节生理运动范围可知,两者在踝全域运动范围内的吻合度可达95%,较好地保障了踝关节康复所需要的运动空间。基于并联踝康复机器人的量纲一速度雅可比矩阵,对机器人的可操作度、灵巧性等运动学性能进行了分析,结果表明踝康复机器人在工作空间内不存在奇异位形且具有良好的运动学性能。     

坐卧式下肢康复机器人的机构设计与仿真

针对脑卒中早期卧床患者身体虚弱、平衡能力差的特点,提出一种坐卧式下肢康复机器人,可以实现患者下肢在矢状面和冠状面内的空间运动。对这一康复机器人进行机构设计,对其连杆机构进行运动学正反解计算,求解速度雅可比矩阵,并通过五次多项式插值规划路径。为提高这一康复机器人在操作空间中轨迹跟随的准确性,设计比例微分交叉耦合控制器,并通过仿真验证其优越性。     

基于MATLAB的PUMA560机器人正逆解研究

通过对满足pieper准则的PUMA560机器人分析,建立其D-H参数正向运动数学模型,并求出机器人正向运动学解。在正向运动学的基础上,利用矩阵求逆的方法生成12组非线性方程,并利用代数法求解该方程,获得机器人各关节角度变量的8组解。基于实际工况对逆解进行选取使机器人的运转性能达到最优。机器人的正逆解为轨迹规划研究奠定了基础,对于提高机器人的使用寿命、避障能力和工作稳定性有着重要的意义。     

下肢康复训练机器人的运动协调仿真

随着机器人技术的发展以及人体运动参数化描述的进步,出现了一种新型机器人--康复训练机器人.而下肢康复训练机器人可以模拟正常人的行走位姿,带动下肢有运动障碍的病人进行康复训练.文中采用曲柄摇杆机构来实现人的跨步过程,分析了连杆上支点的运动轨迹;利用曲柄摇杆机构中增加的连杆和滑轨来实现脚踝的运动,分析了踝关节的运动相位,且与步态运动相协调;通过Matlab和ADAMS的运动仿真优化该机构的设计,并通过实验验证优化结果的合理性,整体简化了下肢康复训练机器人结构,降低成本.     

下肢康复训练机器人AVR单片机控制系统

研究了一种新型机器人下肢康复训练机器人,它通过模拟正常人的行走姿态,对下肢有运动障碍的病人开展下肢康复训练,有助于病人恢复其一定的运动功能。介绍了它的机械结构和工作原理,以及由AVR单片机实现的控制系统和软件设计。经过实验及数据分析,样机具有实现模拟正常人的行走姿态的功能。     

坐卧式下肢康复机器人的被动训练控制

考虑到下肢康复机器人很难获得精确、完整的数学模型,而且在建立模型时需要进行合理的近似处理,因此忽略了外部干扰、参数误差、未建模的动态和摩擦等不确定因素,这些原因导致控制性能不佳。基于此提出了一种基于计算力矩法的神经网络鲁棒控制器,通过计算力矩法对标称模型进行控制,RBF神经网络控制器对系统中未知的不确定项进行补偿,而自适应鲁棒控制器则用来补偿神经网络的逼近误差及外部的干扰,从而提高了系统的动态性能和控制精度,并对算法的稳定性进行了证明。通过实验验证,证明了控制算法的有效性,在被动训练时具有较好的轨迹跟踪性能。     

脚踏式下肢康复训练机器人结构设计及运动学仿真

借助于Pro/E软件建立下肢康复训练机器人的三维模型并设计了可以改变步长运动和进行位姿调整的步态运动机构。通过实验,对下肢康复训练机器人的工作步速范围、负载能力以及下肢关节运动角度进行分析,验证脚踏式下肢康复训练机器人设计的合理性。对设计结构进行了运动学仿真,仿真结果表明该机构能够较好地模拟人的实际步态运动,符合下肢康复系统的整体要求。     

下肢康复训练机器人步态运动机构设计

借助于Pro／E软件建立了下肢康复训练机器人步态运动机构的参数化运动学模型，基于对不同参数简化模型的分析，设计了一种步态运动机构，对设计结果进行了运动学仿真，仿真结果表明该机构能够较好地模拟人的实际步态运动，符合下肢康复系统的整体要求。同时得出了实现理想步态运动所需的驱动电机等效速度参数，为进一步的机构控制系统设计提供了必要依据。     

2-URS&UPS下肢康复机器人的设计与仿真

随着现代社会的自动化迅速发展,由于事故频发,加上自然灾害和身体疾病导致偏瘫患者增加,必要的康复训练在患者的康复中亦为重要。为了更好的提高康复训练的效果,达到患者不同时期的康复需求,提出一种以2-URS&UPS并联机构为机构原型的下肢康复机器人。该机构具有六自由度,可以做三维复合运动,文中采用5R机构代替虎克铰链,增大了机构的运动空间,利用SolidWorks建模与ADAMS仿真结合的方法,综合不同的康复训练要求,建立康复训练的运动轨迹并进行了模拟运动仿真。仿真结果表明,该下肢康复机器人能满足患者不同时期的康复需求,为下肢康复机器人的设计与研究奠定一定的理论基础。     

髋关节康复训练器控制系统设计与研究

设计下肢膝关节以上截肢患者髋关节康复训练器的控制系统。根据膝关节以上截肢患者的运动特点,使用AVR单片机控制磁粉制动器,产生康复者所需要的力矩,锻炼康复者的膝关节以上肌肉。计算截肢患者在康复训练中时间和能量消耗,对下肢康复训练建立一种新的训练模式。利用运算速率高、抗干扰功能强大和便于控制的AVR单片机,通过C语言编程,结合下肢残肢康复训练实际临床理论,达到自动控制理论和下肢康复训练之间的完美结合。该康复训练器运用自动控制原理可以成功的实现对髋关节部分肌肉的锻炼,精准的控制下肢康复训练的载荷,实现对髋关节肌肉康复训练系统的训练方案的进一步探索。