含半月板的假肢膝关节机构设计与减震性能分析

智能仿生腿是一种能够最大限度模仿人体健康腿运动的高级智能下肢假肢。当假肢穿戴者从事跑步、打网球等复杂运动时,运动对假肢关节的冲击和震动将大幅增加。为提高假肢抗冲击、震动性能,将人体膝关节半月板结构引入假肢膝关节。分析了人体膝关节的解剖结构和功能,进行了智能仿生腿膝关节机械机构设计,基于ANSYS对假肢膝关节半月板结构的抗冲击、震动性能进行了有限元分析。结果表明:半月板具有承载负荷的能力并具有缓冲吸震作用。     

双足机器人并联踝关节优化设计

通过对人的踝关节运动机理分析,设计一种新型的双足机器人踝关节并联机构。建立并联机构的参数化模型,并对该模型进行运动学和动力学分析,得出该并联机构的一阶影响矩阵、伸缩运动的驱动力与零力矩点(Zero moment point, ZMP)轨迹关系。由于实际双足机器人行走时踝关节驱动力矩与角速度差异较大,为解决双足机器人步态行走中踝关节的动力学不平衡特性,结合并联机构的运动特点,迭代计算优化并联机构的结构参数,使踝关节两个驱动元件的驱动功率峰值和速度趋于一致。进行双足机器人步行试验研究,结果表明,优化后的并联结构踝关节的驱动功率峰值是串联结构下功率峰值的50 %左右,降低驱动元件的功率设计要求。在满足双足行走时踝关节的运动性能要求下选择小功率的驱动元件,有利于减小关节的体积和质量,减小能耗。     

智能上肢假肢气动平衡机构的优化设计

智能上肢假肢是一种拥有6自由度的仿人体上肢的假肢机构,其肩部舵机驱动大臂做旋转运动,实现假肢的前后摆动。由于该机构肩部关节为垂直关节机构,以及大臂本身重力矩的存在,导致其抓取重物的重量非常有限,故需要考虑平衡大臂重力矩以减小肩部舵机的驱动力矩,为此该智能上肢假肢设计有气动杆平衡机构。通过建立机构运动数学模型,确定机构待优化参数,设计机构目标函数和约束函数,利用MATLAB复合型优化设计算法,解决该约束优化问题,求得综合最优解,获得了优化设计计算结果及其运动仿真图形。     

假肢膝关节四杆机构的优化与仿真

从满足人体运动过程中假肢与人体的协调性出发,对假肢膝关节部位的构型进行选取,并对该机构进行了运动学分析;针对个人膝关节瞬心轨迹曲线,提出该机构尺寸参数的优化数学模型,对该机构的参数进行优化,使目标函数中机构瞬心坐标与人体膝关节瞬时转动中心理想值之差最小,即该机构的实际瞬心轨迹与理想的膝关节瞬心轨迹相接近,满足人体下假肢膝关节机构协调性的设计要求,通过Matlab优化工具箱进行优化计算并获得机构模型,又应用AD-AMS对机构模型进行运动学仿真,验证优化结果的可用性。     

双摇杆假肢膝关节的运动学与动力学分析

膝关节是人体正常运动的重要部位.为了满足下肢截肢患者恢复正常运动功能的需求,设计了一款双摇杆机构的假肢膝关节.首先,建立了下假肢的简化模型,通过对模型的运动学分析,获得了相关关节角度、角速度、角加速度等参数.通过动态静力分析法对双摇杆的各个杆件进行动力学分析,最终得到输出阻尼力与驱动力矩之间的平衡方程.通过Adams仿...     

新型仿生膝关节的机构设计与仿真研究

通过对假肢膝关节系统的功能原理分析,提出了多种新型假肢膝关节结构方案,拟定了结构方案比较与选择的基本要求与准则,完成了结构设计与技术设计;结合运动仿真分析,确定了膝关节在主动屈曲时回转摆动缸的摆动范围,分析了下蹲过程中的机构力矩变化规律。设计与仿真的结果对于连骨式假肢膝关节设计、双足步行机器人开发有参考价值。     

新型假肢膝关节的设计与仿真研究

假肢膝关节是假肢最重要的结构,对假肢性能具有至关重要的影响。从仿生性角度出发,提出一种新型假肢膝关节结构。以踝关节轨迹作为步态评判标准,建立机构的运动学模型。论述模型结构的优化原则、目标函数以及约束条件,运用LINGO软件编程对模型中的尺寸参数进行优化。将优化后的结构模型运用ADAMS进行仿真分析,验证模型及优化的正确性。仿真结果表明,运用设计的新型假肢膝关节的假肢能够较好地模拟正常人行走的踝关节轨迹,具有较好的行走步态。     

分布式电驱动汽车列车横向稳定性控制研究

为了提高分布式电驱动汽车列车的横向稳定性,提出了一种基于线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator, LQR)的极值优化驱动力矩控制策略。建立了三自由度理想汽车列车模型,通过基于LQR的附加横摆力矩控制器得到附加横摆力矩,运用极值法合理分配驱动力矩,采用TruckSim与MATLAB/Simulink联合仿真平台分别进行了中速双移线和高速单移线工况仿真。仿真结果表明,中速双移线工况下,所设计的极值优化驱动力矩控制策略相比于平均分配控制策略,其牵引车的质心侧偏角峰值降低了22.78%,牵引车与挂车的横摆角速度峰值分别降低了5.46%和2.86%;高速单移线工况下,其牵引车与挂车的质心侧偏角峰值分别降低了22.85%和17.19%,横摆角速度峰值分别降低了10.40%和8.16%,提高了分布式电驱动汽车列车中高速行驶时的横向稳定性。为验证极值优化驱动力矩控制策略在实时系统中的控制效果,进行了硬件在环测试,结果表明硬件在环测试结果与仿真结果一致。     

助力下肢外骨骼双膝蹲-起立过程动力学研究

为研究助力下肢外骨骼双膝蹲-起立过程中各关节的驱动力矩,将助力下肢外骨骼视为三自由度的刚性结构系统,建立动力学模型。以达朗贝尔定理推导出双膝蹲-起立过程动力学表达式。为实现助力下肢外骨骼与人体高度偕行,对人体双膝蹲-起立运动过程进行实验分析,以MATLAB为平台分别对负重40kg和无负重下肢外骨骼各关节驱动力矩进行数值计算。根据分析结果得,膝关节在负重40kg时驱动力矩最大,峰值为209.20N·m,平均为75.85N·m;髋、踝关节驱动力矩相对较小,工作能耗低,在无负重状态下仍需9.87N·m和38.80N·m的驱动力矩,能量损失较多;踝关节为保持稳定性导致有较大波动。     

双轮差速驱动式服务机器人移动机构构型多目标优化设计

移动机构构型对轮式服务机器人的静态稳定性、动态平稳性、驱动力等具有重要影响。以双轮差速驱动的六轮移动底盘为研究对象,分析移动机构构型中车轮布局与移动底盘静态稳定性、动态平稳性、越障驱动力及转弯驱动力的相互关系;在此基础上构建了面向车轮布局的多目标优化模型,利用MATLAB遗传算法优化工具箱进行多目标优化求解;以移动底盘的俯仰角、侧倾角及驱动力矩作为性能评价指标,运用ADAMS虚拟样机技术对优化前、后的移动底盘进行运动仿真。仿真结果表明,优化后的移动底盘的俯仰角与侧倾角分别减少了17.6%和32.2%,驱动力矩平均值与均方根值下降了3.7%和4.3%,从而有效提升了移动底盘的运行平稳性及续航能力,也验证了所建立的多目标优化模型的正确性和有效性。     

双摇杆机构在立方氮化硼研磨技术中的应用

从运动学和几何学原理出发,建立了双摇杆机构的数学模型,得出了双摇杆机构中工件中心点的运动轨迹方程,用Visual Basic语言编制了相应的计算机仿真软件,以图形的形式显示出运动轨迹曲线。对各杆的长度及相关角度等设计参数进行了优化,成功地将双摇杆机构应用于立方氮化硼等超硬材料的研磨。     

摆动活齿传动机构的传动性能分析与参数优化设计

研究了摆动活齿的一个工作循环运动状态,摆动活齿具有"运动倒置"特征.分析了摆动活齿啮合副的啮合过程.利用摆动活齿传动等效机构,分析其传动性能和最小传动角的位置.建立了以体积最小为目标的单目标优化数学模型,对摆动活齿的传动参数进行了优化设计,为改进摆动活齿传动的设计方法手段和提高其产品设计质量提供了技术支持.     

仿袋鼠跳跃机器人着地阶段的动力特性研究

根据袋鼠的生理结构及运动特征,提出了仿袋鼠跳跃机器人的单腿模型,建立了相应机构在着地阶段的运动学和动力学方程.结合实例,用MATLAB计算了机器人在着地阶段关节力矩和地面作用力随时间变化的规律,并对其进行了分析和讨论.结果表明:踝关节的输入力矩是膝关节的2.5倍,是髋关节的6倍,因此踝关节的驱动力矩是整个机器人完成跳跃的决定因素之一.此动力学研究结果为仿袋鼠跳跃机器人的设计分析及跳跃运动的精确控制提供了理论基础.     

Design optimization of a knee joint for an active transfemoral prosthesis for weight reduction

This paper describes the optimized design of a knee joint for an active transfemoral prosthesis with a fully active knee joint. The active transfemoral prosthesis which can help amputees to walk naturally with a powered motor has been actively developed around the world with advances in battery technology and others. However, most of them are designed for level walking, especially in South Korea, research about active prosthesis is insufficiently carried out, also depends on foreign technology. Therefore, this study focuses on the development of prosthetic knee joint that can overcome complex walking environment including stair walking. The developed prosthesis has one degree of freedom at the knee joint and can mimic the human walking mechanism. The prosthetic knee joint has a simple high-torque mechanism comprising a flat BLDC motor, harmonic drive, and pulley to generate the torque required for walking on stairs, which requires the largest torque. As one of the most important factors for comfort and fatigue, the total weight of the prosthesis should be minimized. Topology optimization was carried out to reduce the weight, and an advanced knee joint design was developed based on the optimization. The structural safety was validated via finite element analysis and a strain experiment under working conditions.

     

Reducing undesirable vibrations of planar linkage mechanism with joint clearance

An optimization design method is presented to reduce the undesirable vibrations caused by clearance for planar linkage mechanism. A clearance joint is defined and considered a contact/impact force constraint. Contact and impact force models for the clearance joint are established using a normal contact force model based on Hertz model with energy loss and a tangential friction model based on modified Coulomb model with dynamic friction coefficient, respectively. In view of the clearance joint, dynamic equations and optimization method for a planar four-bar mechanism are then presented as an application example. The optimization aims to minimize the maximum absolute acceleration peaks of the mechanism by determining the link lengths of the planar linkage mechanism. Finally, the optimization design is solved by a generalized reduced gradient algorithm. Results show evident decrease in vibration peaks of the mechanism and obvious reduction in the contact forces in the clearance joint, which contribute to a good performance of planar linkage mechanism systems.     

基于ADAMS的曲柄摇杆机构的运动精度仿真研究

通过建立了曲柄摇杆机构的虚拟样机模型并对模型进行了参数化。通过仿真可建立杆长制造误差、运动副间隙与连杆曲线轨迹精度的数量级别关系，为曲柄摇杆机构的制造、装配提供了依据。     

模糊PID进出口独立控制装载机摇臂液压系统

传统装载机常采用四边联动滑阀的多路阀控制液压缸运动,致使进出液压油口节流损失大,尤其对于负载复杂多变工况的摇臂液压缸,能耗损失更为明显。为改进这些不足,提出了一种基于模糊PID泵阀协同进出口独立控制的装载机摇臂液压系统。采用AMESim,LMS Virtual.Lab Motion仿真软件建立了原机的机液联合仿真模型,并通过试验验证了所搭建模型的准确性。在原模型的基础上,构建了基于模糊自适应PID泵阀协同进出口独立控制的装载机摇臂液压系统仿真模型,并进行了动力性、能效特性的研究。结果表明,采用进出口独立模糊PID控制方法可显著降低阀口节流损失,在保持摇臂机构动力性不变的前提下,泵功率峰值在摇臂油缸阻抗和超越工况下分别降低了13.6%和46.8%。     

汽车摇臂机构的数学建模及最优化

运用空间坐标变换理论的有关知识,对双摇臂机构进行运动学分析,建立空间数学模型和基于转向误差最小的最优化模型.考虑车辆的真实行驰状况引入加权函数,从而实现真实工作条件的仿真.最后以一典型车辆为例,验证得出此方法可行且高效.