可穿戴式下肢助力机器人运动学分析与仿真

可穿戴下肢助力机器人是将人和机器人机构结合在一起,通过获取人体下肢运动行为信息来控制机器人机构与人体协调、同步行走,并实时为人体下肢提供助力的一种装置。可穿戴下肢助力机器人机械系统不仅符合以往的拟人机器人行走机构的设计要求,又要与人体下肢系统相匹配,为人体提供助力时,与人体下肢相协调、互不产生运动干涉。基于人体下肢各关节运动参数,对助力机器人机械系统进行了运动学分析并建立了模型,通过对人体下肢运动仿真,验证了所建立的运动学模型的可行性。     

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。     

下肢外骨骼助力机器人本体结构设计与运动学分析

下肢外骨骼助力机器人是一种可以拓展人体关节机能,并可在特殊环境下作业的人机共融型机器人。基于人体下肢生物力学特点,阐述了下肢外骨骼助力机器人的机构设计原理及过程,分析了外骨骼机构的运动学关系,通过ADAMS匹配外骨骼与关节驱动范围并进行了机构优化,可以完成人体的代表性深蹲动作,为外骨骼助力行走留有较大的关节运动裕量,虚拟样机联合仿真也验证了外骨骼助力机器人的设计可行性。     

助力机器腿仿真研究

助力机器腿是为腿部受过轻度损伤，或者因为偏瘫和脑瘫，不能稳定行走的患者设计的一种辅助行走的机器人。建立了基于广义坐标的助力机器腿逆运动学模型，采用三次样条插值规划人体的髋关节和踝关节运动轨迹，结合人体运动的几何约束和运动约束，推导出人体腿部参数化步态模型。采用图像分析方法，得到了人体行走过程中髋关节和踝关节的轨迹，通过比较分析，验证了理论分析的正确性。在Matlab／Simulink，SimMechanics下，进行了机械腿仿真分析，并给出了仿真结果。     

外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真

采用人机合一的下肢外骨骼助力装置,是未来单兵提高携行、机动能力的先进方式;而智能化的助力机械结构设计与合理的驱动选择布置,是确保外骨骼助力机器人可靠工作的关键。本文通过对人体结构与人体行走运动机理的分析,进行外骨骼机械结构的初步设计,并从电控、驱动及结构减重等方面进行考虑,对外骨骼机械结构进行优化设计,并获得三维模型。在此基础之上,进一步就机械结构的运动学仿真,通过对各关节的力矩分析,验证结构设计及驱动布置的合理性。     

下肢外骨骼虚拟样机设计研究

步态分析是外骨骼机器人设计中不可或缺的技术环节。以人体步态运动规律作为下肢外骨骼运动姿态控制的基础,有利于实现良好的人机匹配。采用Vicon运动分析系统进行了运动学实验与分析。在人机交互的基础上,拓展人的运动功能,因此在下肢功能障碍患者康复训练、老年人及正常人助力行走、单兵装备中获得广泛关注与应用。以人机功能匹配为设计出发点,采用Vicon运动分析系统进行了步态行走实验,以步态参数作为下肢外骨骼运动控制依据。通过ADMAS运动仿真与拉格朗日方程计算结合的方式,得出动力学参数。进而完成了一款兼顾行走助力功能与低成本的下肢外骨骼虚拟样机设计。     

仿生直立双足机器人的稳定性控制算法

仿生直立双足机器人共有7个旋转自由度,对其稳定性控制是保证双足机器人稳定行走和姿态变换的关键。传统方法中对仿生直立双足机器人的稳定性控制采用二自由度超外差控制方法,对直立双足机器人抓握和操控的运动规划效果不好。提出一种基于末端效应逆运动学分解的仿生直立双足机器人的稳定性控制算法,构建了仿生直立双足机器人运动学结构模型,采用末端效应逆运动学分解方法对机器人的运动学模型进行七自由度重构,在重构的运动学状态空间中实现仿生直立双足机器人稳定性控制,实现控制算法改进。仿真结果表明,采用该算法进行机器人稳定性控制,机器人行走过程中各个机构部件具有稳定运动学参量的输出,仿生双足机器人的控制机构参数仿真结果与理论值在一定的波动范围内相符,保证了机器人在行走和各种行为动作实施过程的姿态稳定性。     

基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与步态仿真

以人类的构造为原型,基于仿生学的角度,设计了一种下肢单腿7自由度的仿人机器人.通过三维光学动作捕捉系统采集人体正常行走时的运动位置坐标,分析数据,获取人体步态行走时的关节角度及下肢各关节力矩变化规律;建立了下肢7自由度运动学模型并进行逆运动学分析,求解出下肢各关节角度的变化情况,并根据步态规划求解出仿人机器人步行运动过程中下肢各关节转动角度;在UG环境中建立下肢7自由度的仿人机器人三维模型,并利用多体动力学软件Adams进行动力学仿真,结合步态运动规划求解出的角度变化情况对仿真参数进行设置,通过虚拟样机完成仿人机器人的步态行走,并将仿真数据和动作捕捉实验获取的数据结果进行对比.研究结果显示,仿人机器人能够实现稳定的步态行走,确认了整体建模思路、运动学分析以及动力学仿真的准确性.以实验结果为基准,仿真所获得的髋关节和膝关节力矩值相对于实验值的相对误差分别为6.7％和9.6％,均在合理的范围内,为仿人机器人结构设计和电机选型提供了依据.     

一种双足机器人步态规划和运动仿真的研究

通过对人类行走步态的研究,结合双足机器人实际结构,规划机器人行走时的基本姿态及重心轨迹,建立运动学模型,根据规划的行走姿态及轨迹建立运动学方程。应用三维建模软件UG建立双足机器人的简化模型,导入仿真软件ADAMS中生成虚拟样机模型,并通过在Matlab中得到机器人行走的关节运动轨迹对虚拟样机模型进行控制,经仿真后,利用该虚拟样机模型对机器人行走步态进行运动学及动力学分析。应用虚拟样机方法,验证了步态规划的有效性。     

气动式除冰机器人及其运动学分析

针对传统输电线路除冰方法效率低和安全性差的问题,提出了一种气动式输电线路除冰机器人。该机器人采用三臂对称结构,能够在输电线路上高效除冰并越障行走。在此基础上,采用齐次坐标变换法进行机器人的运动学分析,包括机器人运动学正、逆方向的求解,建立了机器人在越障过程中手臂位姿与各关节变量之间的关系,并在ADAMS环境下对机器人跨越悬垂线夹过程进行运动学仿真。仿真结果和线路运行试验验证了机器人越障的可行性。     

基于闭环矢量法的骨盆位姿机构运动学分析

助行训练机器人是一种帮助偏瘫、截瘫患者进行行走训练的康复设备,其作用是通过对人体骨盆中心和腿部的控制实现行走功能,进而达到锻炼肌肉和康复行走功能的目的。该文提出了四自由度骨盆位姿控制机构,运用闭环矢量法建立了位姿控制机构的运动学模型,利用Matlab／Simulink完成了运动学仿真分析,得到了该机构的加速度、速度和位姿变化曲线,验证了该骨盆位姿机构方案的可行性以及运动学模型的正确性。该研究为助行训练机器人的控制系统设计提供了依据。     

A total torque index for dynamic performance evaluation of a radial symmetric six-legged robot

This article focuses on the dynamic index and performance of a radial symmetric six-legged robot. At first the structure of the robot is described in brief and its inverse kinematics is presented. Then the dynamic model is formulated as based on the Lagrange equations. A novel index of total torque is proposed by considering the posture of the supporting legs. The new index can be used to optimize the leg’s structure and operation for consuming minimum power and avoiding unstable postures of the robot. A characterization of the proposed six-legged robot is obtained by a parametric analysis of robot performance through simulation using the presented dynamic model. Main influences are outlined as well as the usefulness of the proposed performance index.     

危险作业机器人机械臂设计及其运动学分析

从危险作业机器人的任务需求出发创新设计了一种带有平移自由度的六自由度机械臂,建立了机械臂的虚拟样机模型,机械手工作域的仿真分析表明较好的满足了设计要求。同时,运用D-H法建立机器人的连杆坐标系,进行了正向运动学分析,推导出机械臂的运动学方程以及手爪坐标系相对于基坐标系的位姿矩阵,针对运动学方程的特点,提出了解析法和基于正向运动学分析的可行解估计法相结合的试探搜索算法进行逆运动学求解,实例分析和编程验算表明该方法稳健可靠,计算精度和处理速度能够满足机器人实时在线控制的要求,并且可以应用于机器人轨迹规划和跟踪控制。     

气动仿青蛙跳跃机器人动力学分析

以青蛙为原型设计了一种仿青蛙跳跃机器人。该机器人以气动人工肌肉为驱动器,使得机器人具有更好地仿生性能。将机器人的运动分为3个阶段,进行了运动学分析,并运用拉格朗日法进行动力学分析,获得动力学方程。利用ADAMS-Matlab仿真验证了动力学方程的正确性,为进一步的研究工作奠定了基础。     

四足爬行机器人步态分析与运动控制

为了实现液压作动的四足步行机器人的稳定行走,根据运动稳定裕量原则规划四足机器人的直行步态,保证三足支撑机体时稳定裕量为100 mm;针对液压缸运动加速度突变导致机体冲击振动的问题,提出了利用S型曲线作为各自由度的运动位移控制规律的方法。按照JQRI00型四足步行机器人原理样机的结构建立了虚拟样机模型,应用仿真软件对所设计步态进行了仿真,分析了步态的运动学、动力学特征和位移控制方法的运动特征;在四足步行机器人原理样机上进行了试验,并将试验与仿真结果进行了比较。研究结果表明,所设计的机器人步态可行,保证了机器人具有较好的行走稳定性;将S型曲线用于位移控制,消除了液压缸运动加速度的突变,进一步提高了机体运行的平稳性。     

差速转向复合式探测机器人运动学分析

为便于探测机器人的导航和跟踪控制,提出了差速转向的复合式移动机器人运动学模型的构建及求解方法。通过对差速转向复合式移动系统结构及运动特性进行分析,推导了探测机器人车体速度与后轮及承重轮速度之间的关系矩阵,提出采用Householder变换求解车体运动的方法,为探测机器人越障过程中位置和方位的估计提供了较准确的求解模型。最后对差速转向复合式机器人的行进过程进行仿真试验,验证了运动学模型的正确性及机器人的运动特性。     

仿生移动机器人并联机构运动学正解的鱼群算法求解

基于改进的人工鱼群算法,提出了并联机构运动学正解的求解方法。构建了仿生移动机器人处于支撑状态的并联机构模型,应用螺旋理论计算了该并联机构的空间机构自由度,构建了仿生移动机器人并联机构的运动学正解模型,利用鱼群算法对正解模型的约束方程组进行设计。对鱼群算法所用数学模型进行了构建,对改进后的人工鱼群行为进行了算法描述。仿真结果表明,该人工鱼群算法具有良好的寻优性能,满足仿生移动机器人并联机构正解模型的求解要求。     

轮履组合式环保机器人构形设计及越障分析

针对室外环境的复杂性,结合轮式行走机构与履带式行走机构的优点,设计了一种轮履变换机构,将该机构用在环保机器人上,并设计了两种不同的末端执行器.运用大型三维软件UGNX建立了机器人的模型.分析了机器人的越障性能.为后续的机器人运动学以及动力学分析做出了保证.