下肢康复训练机器人本体设计与控制系统

针对下肢运动功能障碍患者对康复训练设备的需求,设计一种能够辅助患者自主康复的下肢训练机器人。 基于人机工程学理论和现实因素设计康复机器人的3 维结构模型;根据人体的运动特点设计人体行走意图识别系统, 并对机器人的运动特性进行分析,提出基于多传感系统的机器人运动控制方案;搭建康复机器人实验样机,并对机 器人的控制效果进行测试。实验结果表明,该机器人的结构设计与控制方案具备正确性和可行性。     

人体下肢运动康复训练机器人的设计

针对当今社会老人以及偏瘫患者的康复训练需求和智能化训练康复设备的不足,分析了偏瘫患者的步态,设计了一种辅助患者行走及康复的下肢康复训练机器人.控制系统以主芯片为核心,集成了多个传感器、CAN总线和伺服电机等,通过人机交互系统能实时地实现自动向前、左右转弯、防超速、防摔倒等功能,通过对移动系统进行运动学分析,获得了运动规律,并进行康复训练机器人样机实验.实验结果表明:该系统操作简单,可靠性高、实用性强,在帮助患者快速康复的同时,也可为康复设备的开发起到指导意义.     

基于人体工学的康复机器人设计及稳定性研究

针对康复机器人居家使用的通过性、稳定性和安全性问题,设计一种基于人体工程学理论的家用下肢康 复训练机器人。通过分析脑卒中患者的运动姿态,结合康复机器人的运动特性,提出采用模块化结构的新型随动下 肢康复机器人设计方案;重点对康复机器人可能产生的侧翻进行力学分析,给出康复机器人的稳定性判断准则。通 过虚拟样机仿真,分析机器人的重心偏移量,并进行仿真和样机测试。结果表明：该机器人具备可靠性和稳定性, 具有应用价值。     

具有广义肩关节的上肢康复机器人优化设计

肩关节作为上肢运动的基础,肩关节康复训练范围的大小是决定上肢整体康复效果的重要因素。为帮助上肢残障患者进行康复训练,设计一种具有广义肩关节的康复机器人,该机器人的肩关节具有6个自由度,与人体生理结构上的肩胛带复合结构相协调。现有康复机械臂存在肩关节驱动数量多、工作空间小的问题,为此在给定工作空间条件下对机械臂肩关节转动轴线夹角进行了优化设计。利用指数积公式和Paden-Kahan子问题计算方法分别求解康复机器人盂肱关节的3个转动副运动学正反解,提出一种角度评价指标优化转动轴线夹角的方法。结合MATLAB软件分析机械臂盂肱关节与人体的干涉情况,给出机器人盂肱关节相对于人体的最优安装位姿。求解整个6自由度肩关节康复机器人的运动学正反解,通过实验验证了优化后的机器人盂肱关节结构比传统正交结构在相同安装空间下可达运动空间更大。结果表明,优化后的6自由度肩关节康复机器人,具有在较小安装空间内实现较大活动范围的特点。     

具有可控柔性的双足行走机器人研究进展综述

为了增强机器人的行走效率,使机器人的步态更自然,并有助于机器人实现复杂的运动,在双足行走机器人中加入可控的柔性。在概述柔性可控双足行走机器人发展背景的基础上,介绍国内外基于主动控制和基于被动行走的2类柔性可控双足行走机器人的研究现状,针对目前柔性可控双足行走机器人面临的4大主要问题,提出其未来的发展趋势,主要包括:将柔性驱动器应用到柔性可控的双足行走机器人中;研究控制柔性的方法;将双足机器人与生物学研究相结合;在假肢、外骨骼等辅助行走设备中应用可控柔性。该研究可为实现效率高、步态自然、实用性强的双足行走机器人提供相关理论、方法及技术支持。     

下肢外骨骼康复机器人轨迹跟踪控制

为帮助下肢运动障碍患者进行康复训练,提出一种基于盘式电机的下肢外骨骼康复机器人控制。依据拉 格朗日方法,建立外骨骼机器人动力学模型,利用扩张状态观测器估计系统未建模部分和外部总扰动,采用自抗扰 控制方法(active disturbance rejection control,ADRC)对其进行消除,并通过Matlab 仿真实验进行验证。仿真结果表 明：与传统的PID 控制相比,ADRC 跟踪稳定且具有更好的抗干扰能力,跟踪误差更小。     

六轮六驱火灾巡检机器人

为满足城市环境预防火灾的需要,设计一款适用于火情监测且运动灵活的巡检机器人。该机器人由移动平台与云台组成,悬挂系统使用摇臂转向架结构,采用6轮6驱的驱动方式运动;底层控制系统采用嵌入式设计,集成超声波传感器、温度传感器、烟雾传感器、灰度传感器、摄像头和无线通信模块,通过巡线的方式实现机器人的自主移动;设计一款遥控器手动控制机器人运动;对机器人主要部件进行静力学分析,利用Adams软件进行仿真实验,搭建实验样机进行巡线实验。结果表明,该火灾巡检机器人具备可行性。     

基于人体运动能力的下肢外骨骼支撑相阻抗自调整控制方法研究

针对支撑相期间下肢助力外骨骼机器人阻抗控制拟人性、柔顺性不足的问题,开展基于人体运动能力的下肢外骨骼支撑相阻抗自调整控制方法研究。通过下肢刚度特性试验测定支撑相不同阶段人体的刚度特性,分析了外骨骼阻抗与驱动器阻抗之间的非线性变化规律;设计了一种基于人体运动能力的外骨骼支撑相阻抗自调整控制系统,通过重力补偿和系统摩擦力辨识确保阻抗自调整的准确实施,并进行了仿真与试验验证。结果表明：阻抗自调整控制方法能够确保外骨骼较好地跟随预设位移曲线,满足支撑相外骨骼不同阶段的柔顺需求;所得成果可为改善外骨骼行走人机耦合性、研究完整行走步态外骨骼柔顺控制提供支撑。     

基于肌电信号和极限学习机的下肢关节运动预测

为判断下肢障碍患者的运动意图,通过外骨骼进行康复训练,分析表面肌电信号与下肢关节运动的关系。 提取表面肌电信号的均方根(root mean square,RMS)、绝对值均值(mean absolute value,MAV)、波形长度(waveform length,WL)和方差(variance,VAR)作为特征输入信号,采用极限学习机(extreme learning machine,ELM)建立表面 肌电信号与下肢关节角度之间的映射关系;对输出结果进行优化滤波以降低模型的误差,实现对下肢膝关节角度连 续变化的预测。与传统的反向传播(back propagation,BP)神经网络、径向基神经网络预测结果进行对比,结果证明： 极限学习机在通过表面肌电信号预测下肢关节角度变化中有更高的精度。     

基于力位混合控制的踝关节外骨骼机器人四段式助力技术

外骨骼机器人的助力策略是影响外骨骼机器人助力效率的关键因素。相对于平地行走模式下的外骨骼机器人,坡地行走模式的助力机器人助力机理尚不明确。针对上述问题,以人体运动特征为切入点,研究坡地行走模式下的关节做功规律,阐述人体关节运动机理,并提出力位混合控制的四段式踝关节外骨骼助力策略。进一步研制柔性踝关节助力外骨骼机器人,并通过关节力矩与代谢试验验证该助力外骨骼机器人的助力效率。研究结果表明,坡地行走过程中,外骨骼机器人能够提供人体运动所需7%的关节运动力矩,并能够降低约3.5%的行走代谢能耗。     

小型水面垃圾清理机器人

针对小型河流、人工湖和水上游乐场等场所的水面垃圾清理问题,提出一种机动灵活、作业效率高、外型美观的小型水面垃圾清理机器人设计方案.对船体、垃圾收集舱、动力装置、捕捞机构和控制舱等机械结构进行设计,并对样机进行室内水池和室外人工湖的清理测试.测试结果表明:机器人能在狭小或较浅且有水草分布的水域快速达到水面垃圾处,能将漂浮垃圾打捞到垃圾收集舱并运至指定地点,具有结构简单、成本低廉的特点,有一定实用价值和市场前景.     

细长腔体检测机器人设计研究

对现有人力不可达腔体的几种机器人检测方式进行比较,针对安装有精密零件的某航天器腔体设计了一台检测机器人XN-600-3.该机器人基于柱坐标系设计,视觉系统固定在一条细长机械臂末端,由两自由度关节驱动深入腔内进行检测。该机器人的大部分功能集中在机座内,即机械臂的全部驱动件移至机座内,悬臂部分负载最轻刚度最高,执行系统拥有最优的动态性能。试验证明该机器人具有长行程、高刚度、大回转角、小回转半径的优点,检测过程中视觉系统振幅最大为0.6 mm.通过机械臂末端的高精度摄像机捕获图像,该机器人可用于腔内装配尺寸或焊接质量等检测项目。     

一种基于ROS 的分布式安防巡逻机器人系统

针对目前安防巡逻机器人系统中对机器人主控机负载能力要求较高的问题,设计一种基于机器人操作系 统(robot operating system,ROS)的分布式安防巡逻机器人系统。将同时定位与建图(simultaneous localization and mapping,SLAM)节点以及视觉识别节点分布于局部ROS 网络中的机器人主控机和远程监控端,SLAM 方面采用 gmapping 算法实现动态环境中的地图构建以及机器人的定位;视觉识别方面采用TensorFlow 深度学习框架,利用 TensorFlow Object Detection API 实现场景里多个物体的识别。结果表明,该系统为基于ROS 的分布式安防巡逻机器 人系统的设计提供了参考。     

爬杆机器人研究现状与展望

为推动爬杆机器人的发展,对爬杆机器人的现状进行分析,对其发展方向进行展望.将现有爬杆机器人分为滚动式爬杆机器人、夹持式爬杆机器人、仿生式爬杆机器人和吸附式爬杆机器人4大类,着重介绍其工作特点及国内外爬杆机器人领域中具有代表性的一些研究成果.通过对4类爬杆机器人性能对比分析,提出爬杆机器人的技术难点,并结合当前新技术的发展,从新型化、多功能化、模块化、独立化和智能化5个方面展望爬杆机器人的未来研究方向.该研究有较高的实用参考价值.     

一种轮腿复合型机器人的步态研究与越障性能分析

为实现地面移动机器人在复杂地形下的环境探索需求,结合轮式机器人的高速特性和足式机器人对地形适应性强的特征,提出一种轮幅型轮腿复合型机器人,并针对其在移动过程中的振动问题以及爬梯过程中的越障问题,对机器人进行步态研究及性能分析。从静力学分析中得出机器人轮腿结构以不同姿态着地时的受力情况,结合实际情况中机器人运动约束对机器人在前进、转向和越障等任务中的步态进行分析,并基于动力学仿真ADAMS软件建立动力学模型来模拟机器人不同步态下的振动情况以及越障性能。研究结果表明,结合本文提出的步态控制方法,该轮腿复合型机器人在复杂地形环境中具有较好的行进效率和越障能力。     

水下球形机器人视觉防碰撞编队策略

为解决小型水下机器人编队系统协调周期长、碰撞事故率高等问题,提出一种基于双目视觉的领航者- 跟随编队形成方法。利用水下球形机器人平台的双目视觉系统通过点匹配算法实现机器人的3 维相对定位,将视觉 系统解算的控制量作为机器人运动控制的输入量,根据机器人的运动性能设置安全阈值以实现机器人的水下防碰撞 编队,开展2 个球形机器人的编队实物实验。结果表明,该方法具备有效性。     

介电弹性体式蛙型仿生软体机器人设计

为实现机器人的小型化并增强其环境适应性,基于青蛙推进方式和软体材料的优势,设计出一种以介电弹性体为执行器的蛙型仿生软体机器人.根据材料拉伸特性,确定制作工艺并对执行器进行有限元仿真;对机器人进行腿部运动轨迹规划和真实水下试验;结合游泳时的各种运动参数,构建推进效率模型,确定最优的效率运动参数.试验结果表明:该机器人在频...     

室内巡检机器人的定位方法

针对巡检机器人在室内环境进行巡检任务时无法准确到达指定位置的问题,提出一种基于激光雷达和里 程计的分区域定位方法。当机器人工作在定位精度要求不高的非目标区域时,采用激光雷达加里程计的定位算法进 行导航;而当机器人进入包含指定位置的目标区域时,则利用搭载在机器人上的激光测距传感器和已知位置的地标 来推算机器人的当前位姿,并根据机器人的当前误差进行位姿矫正,实现机器人在目标位置的精确定位。实验结果 表明：该定位方法的位置误差＜2 cm,偏转角误差＜1°,满足巡检机器人的定位精度要求,具备可行性和实际价值。     

一种水面垃圾清理机器人

为高效开展水域治理,设计一种双体船式的基于水流动性的水面垃圾清理机器人。详细阐述该机器人所 能实现的功能、机械结构和工作原理。该机器人主要依靠水泵提供动力形成局部水流带动垃圾流入垃圾清理舱内, 以达到清理垃圾的作用。结果表明,该机器人适合多种复杂水域环境,具有稳定性强、作业效率高、原材料清洁环 保等优点,可广泛应用于水域治理领域。     

平面二自由度并联机器人结构优化与操作空间选择

针对毛坯锻造自动化生产等对高节拍低精度往复运动的搬运操作需求,提出一种基于平面双滑块机构的二自由度并联机器人。由平面上互相平行的2个直线运动滑块驱动机器人末端实现竖直平面内的物料搬运运动,建立机器人运动学模型,基于灵巧度和全局性能指数进行机器人结构参数设计,同时兼顾运动周期与运动精度,获得机器人操作空间。实验分析结果表明：机器人工作周期为1.5 s,竖直位移为245 mm,末端轨迹精度为±1.5 mm,证明机器人具有良好的运动精度和足够的运动位移,以及良好的工作效率。