并联2-RRR/UPRR 踝关节康复机器人机构及其运动学

在分析现有踝关节康复机器人机构特征的基础上,提出了一种具有远程转动中心的2-RRR/UPRR 并联 踝关节康复机构．该机构可以实现踝关节康复运动所需的三自由度转动,即内翻／外翻,背屈／跖屈,外展／内收运 动．采用关节轴线的运动副螺旋矢量表示法分析了该机构在整个工作空间内任意位姿都可以实现3 维转动的机构学 原理．计算了其自由度,并讨论了选取与定平台相连接的3 个转动副作为输入的合理性．应用球面几何方法给出该 机构的位置反解,同时推导出机构位置正解表达式,并给出了数值算例,验证了其工作空间满足踝关节康复运动的 要求．     

绳驱动上肢外骨骼康复机器人穿戴机构设计

为了降低绳驱动并联外骨骼的结构不稳定性所带来的运动学建模误差,改善外骨骼对不同穿戴者的适应能力,提升外骨骼的穿戴舒适度,提出了一种新型穿戴机构并应用于绳驱动并联上肢外骨骼康复机器人CURE-7.首先,介绍了一种绳驱动外骨骼康复机器人,该外骨骼具有特制的穿戴机构,兼具绳驱动设备和并联机构的优点;然后,设计穿戴机构的欠驱动穿戴模块和柔性肘关节,建立外骨骼的运动学模型并对关键参数的影响进行了研究;最后,开发了穿戴机构样机并安装于外骨骼上,进行了健康人的运动轨迹跟踪实验和手臂穿戴外骨骼时的受力实验以证明穿戴机构的有效性.实验结果表明,通过采用新的穿戴机构,受试者肘关节前屈运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约41％,肩关节外展运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约30％,穿戴压力最大值降低了约23％,不同部位的压力方差也有较大幅度的降低.     

并联3-URS踝关节康复机器人的机构与运动学研究

为了帮助患者进行踝关节康复训练,减轻治疗师工作强度,在分类分析现有的各类型踝关节康复机器人的基础上,设计了一种六自由度并联3-URS踝关节康复机器人。从人体生理结构及康复训练需求出发,设计、优化了康复机器人结构,加工制造了实物样机模型;采用闭环矢量的方法建立了并联机器人运动学模型,结合Rosenbrock-Banana优化函数,将正逆运动学数值求解问题转换为优化问题。以背屈训练轨迹作为数值算例,求解精度可达10-10~10-7mm;结合虚拟样机技术,验证了该并联机器人运动学优化求解方法的可靠性,适用于3-URS并联踝关节康复机器人。     

基于3-UPS/RRR的并联踝关节康复机构及其性能分析

基于踝关节的生理解剖结构和运动特性分析,提出了一种适用于踝关节康复的3自由度3-UPS/RRR并联机构.该机构采用三个主动支链倾斜布置避开了机构的奇异位形,能满足踝关节康复运动需要,同时约束支链和动平台的设计使机构的转动中心与患者的踝关节转动中心重合.应用解析法得到了机构的位置反解,建立了速度雅可比矩阵和静力雅可比矩阵,求解了机构的工作空间.基于雅可比矩阵,仿真分析了机构的运动学性能和静力学性能.结果表明在规定的工作空间内机构具有良好的可操作性、运动灵活性、刚度特性和力矩传递性能.最后运用牛顿-欧拉法建立了机构的逆动力学方程,得到了驱动力、约束力与运动参数的关系,并给出了仿真实例.     

人体下肢康复机构设计及运动学仿真

目前投入临床使用的医疗用康复机器人种类并不多,而在实际推广中成功的少之又少.它们有助于患者肢体的康复,但是却在机构设计、模块化设计等方面或多或少存在着一些缺点.借鉴国内外下肢康复仪器的优点,从分析人体下肢解剖学人手,设计了一种基于并联机构原理的新型下肢康复机器人.参照人体下肢基本尺寸,对康复机器人的整体结构进行了三维建模并进行了运动学分析.同时,运用软件对康复机器人进行了工作空间的分析和运动学仿真,确保了康复机器人结构设计和控制上的可行性.该设备结构简单,工作空间相对较大,同时能够根据不同人群调整设计参数,适应性强,对下肢康复的研究有着积极作用.     

平面3RRR并联机构的运动性能分析

本文改进了我们过去给出的角加速度和线加速度性能指标，并且利用给出的新的角加速度和线加速度指标，对平面3RRR并联机器人机构的运动学性能进行了分析。     

2RPU_RPS并联机构运动学分析及仿真

从并联机构在实际应用中的运动控制出发,对2RPU_RPS构型的并联机构进行运动学分析及仿真。通过分析其结构约束条件,求解出机构的关节变量与末端姿态变量的关系,进而完成其逆运动学求解。在逆解的基础上,构建其正运动学模型。基于建立的运动学模型,分析其工作空间,并进行运动学仿真加以验证,为并联机构的实际应用提供理论指导。     

生物融合式康复机构及其应用

按照机械与人体不同的相互作用关系对康复器械的机构进行分类，提出了生物融合式康复机构的概念 并介绍了其特征．在分析踝关节及其现有康复器机构特征的基础上，应用生物融合式康复机构的概念设计了一种含 有弹性元件的并联踝关节康复机构，该机构可以实现踝关节内翻／外翻、背屈／跖屈、外展／内收康复运动，还可以对 踝关节进行牵引．分析了该机构的输出自由度、结构自由度和驱动合理性．计算了踝关节在康复运动过程中机械驱 动和生物驱动的输入量，以及两组驱动给定后踝关节的姿态．以对踝关节进行背屈／跖屈康复训练为例，给出该机构 机械分支受力和机械驱动随踝关节姿态变化的曲线．     

基于边界元法的平面运动并联机构静力学解析

针对混联运动机床开发中所采用的2 自由度平面运动并联机构部分进行了深入的研究．介绍了该平面 运动并联机构的组成,推导了并联机构的运动学正、逆解求解公式,求解了该机构的被动关节．基于边界元法对该 机构的受力情况进行了建模和解析,给出了每个杆件的受力情况．通过ADAMS 仿真验证了求解的正确性,为该机 构的设计开发奠定了基础．本文的分析方法也为并联机构的静力学解析提供了新的思路和方法．     

线驱动模块化七自由度机器人轨迹跟踪控制

阐述了一种线驱动与常规串联驱动相结合的混合设计方法．这种设计方法融合了线驱动并联机构和模块化串联机构的优点,而且混合驱动机器人的工作空间大于完全线驱动机器人的工作空间．文章首先介绍了混合驱动机器人的机构设计,也就是机器人的肩关节采用模块化串联结构,而肘、腕关节采用线驱动结构．然后利用几何分析的方法来解机器人前向运动学问题．在分析驱动线长与关节角之间变换关系的基础上,分别利用速度法和关节角增量法来计算机器人逆向运动学解．最后,使用VC++实现混合驱动机器人对直线运动轨迹进行跟踪的仿真,从而证明了文章所描述的设计方法的正确性．     

Combined Inverse Kinematic and Static Analysis and Optimal Design of a Cable-Driven Mechanism with a Spring Spine

Abstract

A special humanoid neck with low motion noise requirements yields a cable-driven parallel mechanism to imitate the rotational motion of a human neck. The fixed base and moving platform of the mechanism are connected by four cables and a column compression spring. The four cables are actuated separately, while the spring can support weight on the moving platform. Although similar mechanisms exist in the literature, the analysis of them is scarce because a flexible spring instead of a rigid kinematic chain is used as the spine. With the spring’s lateral buckling motion, a new approach must be adopted to solve the kinematics. In this paper, we propose a method that combines the kinematics with the statics to solve them simultaneously. The configuration of the moving platform is parameterized with four parameters, one of which is considered as parasitic motion. Using the spring’s lateral buckling equation, we can obtain the parasitic motion and solve the inverse position problem. The optimal design for cable placements is then performed to minimize the actuation force. The method in this paper provides a novel way to analyze parallel mechanisms with a spring spine and it can be applied to other mechanisms with flexible spines.     

Sprained Ankle Physiotherapy Based Mechanism Synthesis and Stiffness Analysis of a Robotic Rehabilitation Device

Rehabilitation robotics is a growing field where the study of human movement is one of the key topics. Mechanisms development in terms of analysis and synthesis in the field is relatively new, particularly in the case of parallel robotic mechanisms. This paper presents the background and details of current research into the use of parallel robotic mechanisms for rehabilitation of sprained ankles, and proposes a new device based on a parallel mechanism with a central strut.The paper investigates a new technique in motion analysis of ankle movement which is presented in an orientation image space and in that of a rehabilitation therapy, presents an approach of mechanism synthesis based on this analysis, and develops several parallel mechanisms with a central strut for ankle rehabilitation. This is then related to the analysis of the stiffness effect of the central strut in the platform-type mechanism and the stiffness matrix is decomposed with the part resulting from the central strut which supports ankle rehabilitation.In presenting this new research, the paper relates the study of mechanisms to that of rehabilitation robotics and presents a strong case in the new application of parallel robotic mechanisms.     

基于GALIL控制器的踝康复机器人控制系统

介绍了基于GALIL运动控制器的踝关节康复机器人的控制系统。该踝关节康复机器人引入生物融合理念,基于4-UP(Pe)S/PS并联机构,采用PC+运动控制器相对独立运行的并行控制模式,实现踝关节复合康复运动。用户利用PC机实现康复机器人康复运动轨迹的规划,康复运动控制程序的自动编制和运动控制器程序的下载,通过操作面板控制运动控制器相对PC独立地执行程序。这种并行控制模式能够在满足康复运动相对复杂的空间康复轨迹需要的前提下,保证踝关节康复机器人系统的反应速度。该系统成功地用于踝关节康复机器人系统,取得了很好的康复效果,为PC+运动控制器模式的康复系统设计提供了范例。     

一种四自由度并联机构的误差分析及其标定补偿

针对一种四自由度并联机构进行了运动学分析,在此基础上以摄动法建立了其误差模型,明确了各误差源对末端位姿的影响．在对并联机构的标定技术进行简单介绍后,说明了对该机构误差模型中的机构参数进行标定的两种方法,介绍了标定装置、标定算法及标定过程．最后采用Matlab对基于逆解的标定方法进行了仿真,并对仿真结果进行了分析．     

基于参数优化的球面并联机构仿生眼设计

首先确定仿生眼的目标工作空间,根据其结构的特殊要求,将目标工作空间内最差性能指标作为优化 对象,选取球面并联机构的结构参数．避免了将平均性能指标作为优化对象时可能出现某些姿态的性能较差甚至出 现病态雅可比矩阵的情况;同时,只在目标工作空间而不是可达工作空间进行优化,既体现了优化范围的针对性, 也避免了可达工作空间的计算．最终采用优化后参数设计的仿生眼实物符合设计要求．     

一种并联激光焊接机器人的机构设计与运动学分析

提出了一种3 分支5 自由度的并联激光焊接机器人,通过3 个分支共同作用,使整机具备了5 个自由 度的空间加工能力．针对激光焊接,通过分析该机器人的结构特性,建立了其正反解运动学模型,通过解析法求解 该模型并进行了计算仿真．最后,对机器人进行激光拼焊实验,仿真数据和实验结果表明,本文研究的并联机器人 机构适用于实际的高速、高精度激光焊接．