混合驱动腰部康复机器人机构设计及运动学分析

针对人体腰部的步态康复训练,设计了一种柔索气动肌肉混合驱动腰部康复机器人。通过对人体躯干在步态时运动状态的分析,确定康复机器人的基本功能要求。据此对康复机器人进行机械结构设计,使用双并联机构分别对人体腰部和下肢进行牵引驱动,并且采用柔性驱动,综合气动肌肉和柔索的驱动特点,不仅增加了康复机器人的适应性,还防止了受训人在训练过程中受到强迫性伤害。为验证机构的上述特点,使用封闭矢量环法计算了位姿逆解,并建立了速度雅可比矩阵。建立了考虑人体尺寸的康复机器人运动学模型和气动肌肉组件动力学模型,数值仿真得出步态时柔索、气动肌肉运动学性能以及气动肌肉组件力输出变化规律曲线,验证了机构的有效性。     

柔性气动连续体机器人关节结构设计与运动学分析

基于气动人工肌肉和缆绳组合驱动,提出了一种三自由柔性气动连续体机器人关节,该关节具有结构紧凑、柔顺性高、控制简单等特点。通过分析该机器人关节结构特性,采用修正的D-H法,建立了其正反解运动学模型,求解了其位置运动学解和速度运动学解,通过仿真验证了关节结构的合理性和运动学方程的正确性。     

基于ADAMS的手康复机器人运动学仿真分析

文中基于手指的生物学特征与ADAMS,设计了一种手指康复训练机器人,机器人通过平行四边形连杆机构进行关节独立驱动,实现对手指的屈曲/伸展运动训练,通过对机构进行运动学仿真,分析了机器人驱动关节速度、角速度及角加速度特性,结果显示符合手指的运动学特性,可以作为手指康复机器人的机构模型。     

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。     

气动人工肌肉驱动三自由度球面并联机器人关节的位置控制研究

将气动人工肌肉驱动器应用于柔索驱动三自由度球面并联机器人关节，介绍了该机器人关节的运动学模型，提出了一种简便的轨迹规划方法，建立了关节的实验测控系统，应用智能PID算法控制气动人工肌肉的位置从而实现对关节末端的位置控制，在现有的实验条件下，取得了比较满意的控制结果。     

一种单驱动机器人腰部结构的运动学分析

针对现在机器人多驱动并且其运动学特性和控制系统复杂的情况,设计了一种具有躲闪功能的机器人腰部结构,该结构具有单驱动、多自由度、结构简单、运动分级精确并且易控制的特点。介绍了该机器人腰部结构的运动学原理及相关初始参数的选择,并用Denavit-Hartenberg(D-H)法求解出上身在不同情况下的坐标变换矩阵,并得出机器人的正解和逆解;最后建立了该结构的三维模型,简化并导入ADAMS软件进行运动学仿真分析,并通过实验验证了该结果。     

PAM仿生肘关节运动学逆解建模及验证

针对三自由度气动人工肌肉(PAM)仿生肘关节,首先利用伪刚体模型法,建立其运动学逆解数学模型;其次,根据上述模型对机构运动学逆解进行仿真分析;最后,搭建气动肌肉仿生肘关节的仿真系统模型,利用所建运动学逆解模型实现对机构虚拟样机的PID控制。由仿真结果可以看出,在设计工作空间内,三根气动肌肉长度变化连续、平稳,说明机构在运动过程中,具有良好的平滑性;且通过调节PID参数,机构前臂圆盘转角轨迹曲线与期望轨迹曲线基本吻合,从而验证了机构运动学逆解模型的准确性。     

气动人工肌肉并联机器人平台

提出一种基于气动人工肌肉的新型3自由度并联机器人平台,该机器人平台结构简单,具有3转动自由度。在对该新型3自由度并联机器人平台运动学和动力学特性理论分析的基础上,采用模糊变结构控制策略设计了新型3自由度并联机器人平台的两层滑模模糊变结构控制器,并建立了试验系统,开展了新型3自由度并联机器人平台的试验研究,其最大位置跟踪误差0．3 mm,当气源压力改变后,最大跟踪误差仍小于0．6 mm。试验结果表明,采用气动人工肌肉作为驱动装置设计的3自由度并联机器人平台是可行的,两层滑模模糊变结构控制策略对于该系统是适合的。     

一种新型手部康复机器人的设计与分析

针对意外伤害及脑卒中等造成的手部运动功能障碍问题,设计了一种新型手部康复机器人。重点介绍了三个模块化的执行机构和串联弹性驱动器的设计。利用解析法分析机器人的运动学特性,得出其运动学方程。然后通过图像处理技术得到了食指屈曲/伸展的运动轨迹,并将采集到的关节轨迹应用到运动学中,得出康复机器人的各个驱动关节的输入,并进行SIMULINK仿真验证。仿真结果证明该康复机器人整体结构设计合理,运动学模型正确,能够满足手部康复需求,同时也为后续康复机器人柔顺性控制提供了理论依据。     

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。     

柔性可穿戴腕部动力手套的设计与分析

动力手套是一种腕部康复训练装置,同时具有辅助的助力功能。康复训练是手腕进行自主康复的一种重要的辅助治疗手段,传统的康复训练装置大多采用电机驱动的刚性外骨骼结构,在运动时急剧变化的冲击力易造成关节二次伤害,同时较大的质量增加了身体的额外负担。基于气动人工肌肉设计并制作了一款柔性可穿戴动力手套装置,能够实现腕关节屈/伸、内收/外展两自由度运动,集康复训练与腕部助力于一体,轻量化柔顺的外骨骼结构提高了其便携性及舒适性。通过嵌入薄膜压力传感器能够感知手掌与物体之间的抓取力,自动实现腕关节助力功能并有效地保护腕部。对腕部进行穿戴静力分析求解手套装置的性能需求参数,并测试气动肌腱的关键指标及手套的整体性能,测试结果表明所设计的动力手套能够满足腕部康复训练要求并具有辅助的助力功能。     

基于康复训练中力信号的人体参与度建模

设计一种基于人机接触力的人体主动参与程度评估模型,用于康复机器人应用中的主动康复训练。通过人体的肌电信号得到肌肉活跃度,确定肌电信号与人体参与度的关系。分析这一过程中人机接触力的变化,将腿部力信号平均值以及腰部力信号方差作为模型输入,对基于肌电信号的参与度模型进行拟合,得到基于力信号的参与度模型,使用肌电信号参与度模型对力信号参与度模型进行验证,证明了该模型的有效性。该方法避免了肌电信号采集时干扰较大且准备工作繁琐等缺点,具有良好的实用性。     

刚软结合可穿戴手部康复装置设计

手部康复装置是用于手部功能恢复治疗的装置,刚性装置柔性不足、贴合性差,容易造成二次伤害;软体装置驱动力小,且复杂软体装置不易制作。为克服刚性装置与软体装置的缺点,提出了一种结合软体关节与刚性指节的可穿戴手部康复装置。分析人手的生物结构,设计软体关节结构并分析其弯曲特性,基于刚软结合设计气动手指执行器,并进行有限元应力与变形分析;完成软体硅胶关节模具和手部康复装置的制作;搭建气动手指执行器测试实验平台,测试刚软结合手指执行器的弯曲特性和指尖力,并进行手部康复装置对不同形状物体的抓取实验。结果表明所设计的刚软结合可穿戴手部康复装置可实现手部抓握等运动功能的康复训练。     

基于气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节设计与控制

关节是仿生机器人机械系统的基本组成元素。在面向环境交互的仿生机器人系统中,关节的质量、体积以及功/重比直接影响系统的工作性能。与传统的电气、液压驱动方式相比,采用气动肌腱的驱动方式具有质量小、体积小和高功/重比等优势,具有广阔的应用前景。从功能仿生角度出发,在分析人体肘关节骨骼结构特点和肌肉发力方式的基础上,设计一种基于气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节。建立单根肌腱的数学模型,通过搭建气动肌腱工作特性试验平台对肌腱进行性能测试,采用最小二乘法对模型参数进行辨识。针对拮抗式仿生关节的构型进行运动学和动力学分析,提出基于肌腱模型的偏置输入气压控制方法,设计基于关节估计阻尼的扰动观测器对名义模型进行补偿,通过数值仿真对控制方法进行有效性验证。建立仿生关节运动控制试验系统,通过单关节轨迹跟踪试验验证了肌腱理论模型的正确性及控制策略的有效性。     

混联式腕关节康复机构的运动学仿真及康复效果评估

针对腕关节损伤或功能性退化患者，基于（2-RPS/UPU）&R混联机构提出一种可穿戴式腕关节康复机器人。用SolidWorks进行三维建模，导入Adams中进行正逆运动学仿真，在整个仿真过程中，曲线光滑，没有突变点，说明该腕关节康复机器人稳定性好，安全性强。利用AnyBody提取康复训练时腕关节处肌肉相关力学的变化参数，并对康复效果进行评估，结果表明该机器人带动手腕做康复运动时，腕关节周围肌肉的活动度和收缩情况符合康复医学的相关规律，不会对肌肉造成二次伤害，满足受损腕关节的康复需求。     

基于气动人工肌肉的六自由度运动平台

实现六自由度机构准确、稳定运动控制的关键在于执行元件的控制特性以及动力学模型的准确表达。在分析一般六自由度平台特性的基础上,建立了气动人工肌肉双三角六自由度并联运动平台,运用Matlab进行运动学分析,生成机构运动空间。对所建模型进行运动模拟,根据仿真计算数据得到气动人工肌肉的运动特性,进而提出控制方法。     

一种新型气动肌肉助力背心

患有腰椎间盘突出或是腰部受伤的人群负载能力下降,介绍了一种新型气动肌肉助力背心帮助患者实现承力。设计了气动助力背心的整体方案,将充气伸长的气动肌肉及其辅件两端分别作用在胯部和腋下,从而降低腰部的压力。研制了一种径向尺寸小、具备柔顺性和有一定径向刚度的波纹内衬式滑管气动肌肉作为助力背心的支撑单元,并测试了气动肌肉的等长特性。通过理论计算了气动助力背心的承载能力。试验表明,助力背心工作在0.2 MPa时,能实现120 N的支撑力。     

基于气动柔性驱动器的三自由度手指指端输出力特牲研究

三自由度手指由3个气动柔性弯曲关节串联而成,弯曲关节由气动柔性驱动器 ( FPA)驱动。关节驱动力矩的大小取决于各个关节FPA内腔中的压缩气体压力的大小。推导了手指运动学方程及力雅可比矩阵,分析了手指指端受力状况,建立了指端输出力与各个内腔气体压力增值之间的映射关系。对手指指端输出力进行了仿真研究和实验研究,实验结果与力模型结果基本吻合。     

Three-dimensional Construction and Omni-directional Rolling Analysis of a Novel Frame-like Lattice Modular Robot

Lattice modular robots possess diversity actuation methods, such as electric telescopic rod, gear rack, magnet, robot arm, etc. The researches on lattice modular robots mainly focus on their hardware d...     

气动人工肌肉制作及应用

气动人工肌肉作为一种新型的气动执行元件,在服务型机器人中得到了越来越多的应用。本文对气动人工肌肉所需的制作材料、制作过程、工作原理和特性进行了详细的叙述,最后介绍了用制作的气动人工肌肉驱动机械装置的应用实例。