SMA驱动的微型平面关节机器人的研究

近年来，利用形状记忆合金（ＳＭＡ）的形状记忆效应原理制作的驱动器已在机器人领域中得到应用，ＳＭＡ驱动器以其重量轻、结构紧凑、易控制等优点，大大推动了微型机器人的发展．本课题使用所研制的推挽式直线位移型和旋转关节型ＳＭＡ驱动器代替传统的伺服驱动系统，研制了一台三自由度（两个旋转自由度和一个直线自由度）且带末端夹持器的微型平面关节机器人．本文将介绍该机器人的结构设计，控制系统及其软件设计．     

SMA驱动丝的建模与仿真

研究SMA动力学优化模型,针对形状记忆合金(SMA)驱动丝具有强非线性、迟滞效应等特性,为设计SMA驱动丝的自适应结构,提出建立SMA驱动丝模型并提供高效的仿真方法。采用有限元软件实现了受轴向载荷的SMA驱动丝的仿真建模。对本构模型是根据自由能的一维热-力学耦合模型,可以同时复现形状记忆效应和超弹性。数值仿真能够引起材料相变的非均匀温度和应变分布。仿真结果表明,建立热-力学耦合模型,可为设计SMA驱动丝的自适应结构计算提供可靠依据。     

机器人手指最佳位姿的设计

本文阐述了手指的可达区域.通过矩阵扰动分析发现.在手指可达区域中的各点处.手指的工作性能并不都是理想的;作者按手指雅可比矩阵条件数最小的原则,对手指最佳位姿进行了设计.在此基础上.对手指连杆尺寸作了综合,从而保证手指在运动过程中,当手指位姿最佳时.指尖处在各向同性点处附近.最后对手指运动进行了图形仿真.     

具有手指外展辅助功能的康复机器人系统

手指外展是改善脑卒中患者手部功能最重要的运动之一,目前国内外柔性手部康复机器人的研究主要聚焦在手指的屈伸上,忽略了手指完全外展的重要性。为实现更好的康复效果,研制了一款具有手指外展辅助功能的康复机器人系统。基于热塑性聚氨酯(TPU)薄膜涂层织物设计了一种新型外展驱动器。推导出外展驱动器一般力学方程,以表征其输出力矩与几何参数和内部气压的函数关系。性能分析结果表明,该驱动器可以在较低的气压下提供足够的外展力,具有辅助手指外展的可行性。招募了10名健康受试者进行日常生活活动(ADL)实验,在肌电信号监测下,验证了外展驱动器的辅助作用。此外,提出的康复系统将手部康复机器人与多功能被动训练模式相结合,通过配套软件,为脑卒中患者提供了更高效的康复训练。     

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.     

全向移动康复机器人设计与研究

下肢运动障碍患者和失能、半失能老人在日常生活和康复训练过程中,通过有效的物理刺激手段和针对性的康复训练可以恢复部分或全部的运动功能。因此设计了一种新型的全向移动康复机器人,通过全向移动底盘实现地面移动跟随,通过减重模组实现患者的减重支撑,通过柔性骨盆机构实现患者的扶持和部分骨盆运动自由度。首先介绍了全向移动康复机器人的机械机构和运动模式,其次介绍了机器人的电气组成和工作原理,建立了基于人机交互信息的控制模型。     

欧洲康复机器人发展现况及前景

康复机器人发展现状 康复机器人是帮助残疾人解决生活中活动困难的一种工具,它可以在家里或在工作场所使用,使残疾人获得更强的独立生活能力,并相当大地提高他们的生活质量。康复机器人现在已经由科学幻想走进了现实生活之中。过去几年,康复机器人在欧洲已经有所发展,一些欧洲企业在技术开发及投资方面给予了支持。目前已有两种康复机器人打入了市场,即Handy 1及MANUS,它们都是欧洲生产的。     

仿蚯蚓机器人蠕动装置驱动电路的设计

在对仿蚯蚓机器人蠕动装置的工作原理及曲线孔电火花加工特点等进行分析研究的基础上,采用脉宽调制技术设计出了蠕动装置的驱动电路,该电路具有结构简单、工作可靠等优点。     

形状自适应欠驱动三关节机器人手指设计

根据欠驱动原理研制的三指10个自由度的机器人手爪具有驱动元件数量少、抓取物体范围广泛等优点．在欠驱动手爪的4个主要机构中,欠驱动手指对抓取物体具有被动柔顺和形状自适应的特性．首先对三关节欠驱动手指机构进行静力学分析,提出合理的设计目标和约束条件;然后根据设计目标,采用遗传算法得到手指机构的各个关节连杆尺寸和抓取物体时的特殊构形,使得在抓取给定物体时各关节指面的接触力达到均匀分布,得到高效的力传递和更加紧凑的机构尺寸．     

用于丝驱动连续体机器人的实用运动学研究

针对单段及多段连续体机器人运动学问题,提出分段常曲率与粒子群算法相结合的完整正逆运动学分析方法.以双段丝驱动连续体机器人为研究对象,首先设计含平移段的机器人样机;然后利用分段常曲率方法建立驱动空间与关节空间的相互映射,根据齐次变换得到关节空间至工作空间的正映射关系;最后利用线性递减权重粒子群算法实现工作空间至关节空间的逆映射.对双段连续体机器人的运动学进行仿真及逆运动学求解耗时测试,并在研制样机上进行了实验验证.仿真结果说明了所提运动学研究方法的合理性及逆运动学求解的快速性,实验结果显示位置平均误差小于双段连续体机器人本体长度的6.22％,验证了所提运动学的有效性.     

形状记忆合金手指系统的输出力自适应控制

形状记忆合金(SMA)是智能材料中的一种,具有功率重量比大、质量轻、无噪音等特性.作为驱动器有利于结构的小型化和轻型化.然而SMA的非线性、多映射的迟滞特性严重影响了输出力的精确控制.为此,本文提出了基于扰动补偿策略的自适应控制方法用于SMA输出力的精确控制.首先,搭建了SMA驱动的手指实验装置,建立了机理模型;其次,...     

镜像上肢康复机器人研究

近80%脑卒中存活者会发生肢体残疾,其中以上肢问题影响更为剧烈。康复医学与机器人学、生物医学、人工智能等学科高度交叉的镜像康复机器人,是解决患者康复训练问题的前沿技术途径。针对基于镜像机理形成的康复机器人,研究分析了镜像上肢康复机器人的现状以及其中关键技术路线、核心实现方式,阐述了主要功能与技术特点。在此基础上,分析在研究中存在的瓶颈问题,并提出相应的解决策略,以期为今后的镜像机器人研究提供方向。     

Fuzzy logic based adaptive admittance control of a redundantly actuated ankle rehabilitation robot

Ankle rehabilitation robots have recently attracted great attention since they provide various advantages in terms of rehabilitation process from the viewpoints of patients and therapists. This paper presents development and evaluation of a fuzzy logic based adaptive admittance control scheme for a developed 2-DOF redundantly actuated parallel ankle rehabilitation robot. The proposed adaptive admittance control scheme provides the robot to adapt resistance/assistance level according to patients' disability level. In addition, a fuzzy logic controller (FLC) is developed to improve the trajectory tracking ability of the rehabilitation robot subject to external disturbances which possibly occur due to human-robot interaction. The boundary scales of membership functions of the FLC are tuned using cuckoo search algorithm (CSA). A classical proportional-integral-derivative (PID) controller is also tuned using the CSA to examine the performance of the FLC. The effectiveness of the adaptive admittance control scheme is observed in the experimental results. Furthermore, the experimental results demonstrate that the optimized FLC significantly improves the tracking performance of the ankle rehabilitation robot and decreases the steady-state tracking errors about 50% compared to the optimized PID controller. The performances of the developed controllers are evaluated using common error based performance indices indicating that the FLC has roughly 50% better performance than the PID controller.     

新型机器人手指六维力传感器系统设计

针对六维力传感器刚度低、尺寸大等问题,设计了一种可应用于机器人手指的、新型Stewart并联结构的六维力传感器。对该六维力传感器的结构、测量电路等进行了设计,并对传感器标定数据进行了分析,结果表明该传感器系统设计理论正确,且具有一定应用价值。     

实时上肢参数辨识的康复机器人力控制研究

针对病人进行康复训练时,上肢动力学参数估计不准确和训练过程发生上肢动力学参数变化,所导致康复机器人系统辅助力计算不准确,影响精确和稳定的控制练训。为减小辅助力计算误差,实现精确和稳定的训练控制,基于阻抗控制算法,使用多元线性回归方法对上肢动力学参数进行辨识,提出了一种实时上肢动力学参数辨识的阻抗控制算法,建立了康复机器人动力学模型,同时对控制算法进行仿真研究。仿真结果表明该算法能够准确地对上肢动力学参数进行辨识,有效地消除了辅助力计算误差,实现训练过程中训练轨迹精确控制。     

Fuzzy sliding mode control of a finger of a humanoid robot hand

Abstract: The motion control problem for the finger of a humanoid robot hand is investigated. First, the index finger of the human hand is dynamically modelled as a kinematic chain of cylindrical links. During construction of the model, special attention is given to determining bone dimensions and masses that are similar to the real human hand. After the kinematic and dynamic analysis of the model, in order to ensure that the finger model tracks its desired trajectory during a closing motion, a fuzzy sliding mode controller is applied to the finger model. In this controller, a fuzzy logic algorithm is used in order to tune the control gain of the sliding mode controller; thus, an adaptive controller is obtained. Finally, numerical results, which include a performance comparison of the proposed fuzzy sliding mode controller and a conventional sliding mode controller, are presented. The results demonstrate that the proposed control method can be used to perform the desired motion task for humanoid robot hands efficiently.     

Path optimization and control of a shape memory alloy actuated catheter for endocardial radiofrequency ablation

This paper introduces a real-time path optimization and control strategy for shape memory alloy (SMA) actuated cardiac ablation catheters, potentially enabling the creation of more precise lesions with reduced procedure times and improved patient outcomes. Catheter tip locations and orientations are optimized using parallel genetic algorithms to produce continuous ablation paths with near normal tissue contact through physician-specified points. A nonlinear multivariable control strategy is presented to compensate for SMA hysteresis, bandwidth limitations, and coupling between system inputs. Simulated and experimental results demonstrate efficient generation of ablation paths and optimal reference trajectories. Closed-loop control of the SMA-actuated catheter along optimized ablation paths is validated experimentally.     

基于中枢模式发生器的仿生机器狗步态控制的应用研究

由于人工规划产生的步态是比较僵硬的、缓慢的,缺乏灵活的自组织能力,与真正的动物步态存在很大差别;文章提出了机器狗生物步态的概念;以生物的中枢模式发生器CPG模型为核心建立仿生四足机器狗运动控制系统;根据哺乳动物的肢体运动关系,建立机器狗膝髋关节运动关系方程,并设计系统软硬件;设计的控制器能够有效地克服机器狗关节轨迹跟踪控制中耦合、力矩非线性等因素的影响,且具有自适应能力;通过仿真验证了应用于机器狗的生物CPG控制机理的控制方法是有效的。     

下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展

下肢外骨骼康复机器人是专门针对下肢运动障碍及行动不便者,提供康复锻炼的智能化装备, 其发展对于中国康复事业具有重大的理论意义与实际应用价值。人因工程研究可有效提高下肢康复机器人 HRI 人机交互安全性与交互效率。因此,深入探讨国内外下肢外骨骼康复机器人人因工程研究进展,对其研究现状、 发展趋势进行总结归纳。通过文献检索方法对相关文献进行分析,发现人机交互、步态行为、结构设计、安全 问题等是下肢外骨骼康复机器人人因工程领域的研究热点,并从人因出发,系统梳理国内外下肢外骨骼康复机 器人人因工程研究进展和发展动态,提出我国在下肢外骨骼康复机器人人因工程领域所面临的挑战,研究重点 和未来发展趋势。     

基于阻抗模型的下肢康复机器人交互控制系统设计

为帮助下肢功能障碍患者进行康复训练,设计了下肢康复机器人。对于该机器人的控制,采用传统系统无法柔顺控制,导致机器人运动轨迹偏离预设轨迹。针对该现象,提出了基于阻抗模型的下肢康复机器人交互控制系统设计。通过分析总体控制方案,设计系统硬件结构框图。采用L型二维力传感器,确定两个方向的人机交互力。使用绝对值编码器安装在各个关节处,其输出值作为髋关节、膝关节、踝关节电机的转动位置,增量编码器安装在电机轴上,测量值用来作为后期控制方法的输入参数。构建阻抗控制模型,能够调节机器人位置和速度,具有消除力误差功能。依据此力矩对参考运动轨迹进行设计,实时获取患者康复训练的跟踪、主动柔顺和接近状态信息。在柔顺训练实验测出人机交互力,通过实验结果知,在检测到人体主动力矩异常时,系统能够重新优化轨迹,具有良好柔顺控制效果。