融入可控阻尼的康复机器人自适应交互控制

针对外骨骼康复机器人的人机交互柔顺控制,以肩-肘二自由度上肢康复机器人为研究对象,提出一种融入可控阻尼的内外环嵌套式自适应阻抗控制方法,同步实现关节轨迹的超调量抑制和变强度训练。首先,通过磁流变阻尼器与关节电动机并联输出的结构模式,将电磁阻尼力矩引入康复机器人的动力学方程,进而设计关节轨迹跟踪器作为内环控制器,该控制器以关节角速度和角加速度作为输入,实时计算调整阻尼力矩的励磁电流值和关节力矩增益系数,实现超调量抑制。其次,利用Lyapunov函数设计自适应轨迹生成器作为外环控制器,该控制器以交互力、关节角速度及角加速度作为输入,实时计算并修正期望轨迹,通过调节对抗模型的刚度参数,实现对人机交互力的自适应和变强度训练。数值仿真实验结果表明,与未引入可控阻尼的控制方法相比,肩、肘关节的超调量下降率分别优于96.2%、97.5%,且只需调整刚度参数即能实现变强度训练,验证了所提方法的可行性与有效性。     

基于屏障 Lyapunov 函数的上肢康复机器人 自适应主动交互训练控制

针对上肢运动功能障碍患者进行辅助康复训练,搭建了一套上肢康复外骨骼机器人系统,并提出一种基于屏障Lyapunov函数的增广神经网络自适应导纳控制策略。首先,介绍了上肢康复外骨骼的机械机构及其控制系统。然后,推演了控制器的设计过程并进行了Lyapunov稳定性证明。最后,分别进行了不同控制内环的轨迹跟踪被动训练实验和不同导纳参数下基于人机交互力的主动交互训练实验,同时分析比对了主动训练时的人机交互力与轨迹偏差的变化关系。被动训练实验结果证明了增广神经网络对人机模型动力学的逼近效果,其轨迹跟踪峰值误差为模糊PID控制器的53%。主动交互训练实验证明了通过调整导纳参数可实现在相同训练任务下不同强度的康复训练以匹配不同康复阶段下的患者。     

主-被动复合变刚度柔性关节设计与分析

为解决传统刚性机器人在特定领域应用受限问题,为其设计一款同时具有主、被动变刚度特性的复合式柔性关节。通过调查研究国内外变刚度柔性关节结构,对变刚度柔性关节按结构原理分为杠杆机构、凸轮机构两类,并基于凸轮机构原理,通过紧凑化设计实现了主-被动变刚度在同一关节的整合。建立该柔性关节数学模型,并对凸轮槽曲线进行了优化设计,得到了关节等效刚度随柔性变形量逐渐增大的凸轮槽曲线,在此基础上对柔性关节进行了刚度特性分析。对关节样机进行了静态刚度测量及动态抛掷试验,结果表明该变刚度柔性关节能够实现主、被动刚度调节功能,且在结构设计上适应现有机器人机构应用。     

具有主-被动变刚度柔性关节的足式机器人单腿被动弹跳特性研究

通过对生物运动机理的深入研究分析,基于仿生学设计了一款具有主-被动变刚度柔性回转关节的单腿机器人,以追求更好的稳定性、更快的运动速度及更高的能量利用率为目标,基于综合应用动力学、碰撞理论和机械振动建立了机器人腾空相和着地相,以及落地碰撞和起跳冲击的动态模型,针对柔性回转关节的主-被动变刚度对纵向弹跳频率、落地碰撞和起跳...     

上肢康复机器人动力学模型参数辨识

上肢康复机器人是一个非线性、多耦合的系统,对其建立精确的动力学方程较为困难,故无法直接应用于控制系统中。基于拉格朗日法建立康复机器人动力学方程,设计一条激励轨迹,并运用激励轨迹得到的关节力矩和关节角度等相关数据进行动力学参数辨识。使用递归最小二乘法辨识法得到较为精确的上肢康复机器人动力学方程,并通过设计相应的验证轨迹,证明了辨识得到的动力学方程的有效性。     

顺序运动柔性螺旋驱动器的设计与分析

螺旋缠绕运动在自然界中广泛存在,是抓取大长径比物体的有效途径。同时,许多生物在抓取物体时关节或软体组织都遵循一定的顺序运动,这使得它们能适应性地抓取各种物体。受此启发,提出了一种顺序运动柔性螺旋驱动器,这种驱动器由螺旋主体和若干不同厚度的关节组成,通过一根线就可以驱动所有关节使驱动器进行顺序螺旋运动。通过有限元仿真,分析了关节无梯度的螺旋驱动器和其他两种不同关节厚度梯度的螺旋驱动器的在抓取圆柱表面时的末端轨迹、运动行为和接触贴合效果。结果表明,刚度梯度驱动器能实现顺序运动效果,同时顺序运动螺旋驱动器比无法顺序运动的驱动器拥有更为优秀贴合能力,并且刚度梯度越大贴合效果越好。最后,通过3D打印制造了顺序运动螺旋驱动器样机,进行了抓取实验,验证了仿真结果的正确性,同时证明了顺序运动螺旋驱动器的实际可行性,对今后机器人执行器的设计有重要意义。     

基于插值时间相同的4-1-4样条插值的机器人轨迹规划

设计一种新型的5-DOF上肢外骨骼康复机器人,首先分析了该机器人的机械结构,基于D-H参数法建立了该机器人的D-H坐标,根据其坐标求出了其正,逆运动学方程。为了使病患的康复训练具有舒适性和平稳性,提出了一种基于相同时间插值点的用四次多项式过渡的线性插值函数,用来规划上肢外骨骼康复机器人的轨迹。最后进行了单个和多个关节的轨迹规划,并通过求出的正运动学方程和插值函数作出末端位移、速度和加速度的图像,并在Adams中对用1:1模型建立的上肢外骨骼康复机器人进行实体仿真,来验证此方法的正确性和可行性。通过对单关节和多关节轨迹规划参数的分析,然后将其结果与Adams中的仿真数据进行对比,证明了该方法的可行性和稳定性,可以被用在康复机器人的轨迹规划中。     

可变刚度四足机器人对角小跑控制策略

为提升足式机器人在复杂环境下的自适应稳定运动能力,针对具有主被动变刚度柔性关节的四足机器人提出一种对角小跑步态运动控制策略。基于弹簧负载倒立摆模型与控制目标解耦方法,设计了腾空相对角腿关节角规划,着地相前进速度、机身高度、俯仰角调节及腿部刚度主动调节控制策略,并基于足端触地状态完成了四足机器人对角小跑步态运动规划。研制了具有主被动变刚度柔性关节的四足机器人样机,通过实验验证了所提运动控制策略的有效性与正确性。     

上肢康复机器人控制系统设计

在传统治疗方法中主要由医务人员来辅助偏瘫患者完成康复训练,为减轻医务人员的劳动强度、提高康复训练的效果,基于阻抗控制方法为四自由度上肢康复机器人设计控制系统,实现康复机器人辅助患者完成康复训练。对控制方法进行分析后基于工业控制计算机搭建硬件平台,并分别对单关节运动、多关节连动进行理论分析、软件仿真,信号测试和样机实验。基于阻抗控制的上肢康复机器人控制系统能实现辅助患者完成沿规划轨迹的被动训练和跟随患者运动意识的主动训练。     

柔性齿条式变刚度关节驱动器设计与研究

关节驱动器对于提升机器人环境适应能力和降低能量消耗具有重要意义。设计并实施一种柔性齿条式变刚度关节驱动器,能够根据任务需要,实时调节关节刚度。详细阐述关节驱动器的变刚度原理,详细展示该关节驱动器的机械结构。建立柔性齿条式关节驱动器的静力学模型,推导关节刚度与调整位移之间的理论关系式。完成了软件仿真和系统试验,验证了本方案的可行性。柔性齿条式变刚度关节驱动器能够有效缩小驱动器的整体体积,同时具有较大的刚度调整范围以及较短的刚度调节时间。     

下肢康复机器人人机耦合动力学建模和主动柔顺控制

针对多关节下肢康复机器人非线性人机交互作用力影响训练过程中舒适度和安全性的问题,提出一种人机耦合动力学建模方法和主动柔顺控制策略。结合脑卒中发病初-中期康复训练特点和降低髋关节输出功率的要求,确定出坐卧式下肢康复机器人自由度配置、自平衡结构原理,并完成具体模型设计。基于简化的人体肌骨模型,考虑人机耦合方式,确定出人机交互作用力模型,进一步给出考虑自平衡结构影响的人机耦合动力学模型。引入环境刚度模拟患者踩踏在不同路面的接触力效果,利用动力学前馈进行关节期望力矩补偿控制,并通过李雅普诺夫定理判定控制系统的稳定性。通过实验验证了轨迹跟踪、力跟踪的准确性,进一步通过临床试验,92.2%的脑卒中患者病情得到缓解,验证了研究内容的可行性和安全性。     

基于永磁弹簧的变刚度关节驱动器设计

提出一种基于永磁弹簧的变刚度机器人关节驱动器,采用蜗轮、蜗杆驱动绳索调整永磁弹簧气隙间距,实现驱动器变刚度控制;分析基于绳索-永磁弹簧组的关节驱动器变刚度原理并进行结构设计,对变刚度收线蜗轮、蜗杆结构参数进行设计计算.     

主—被动变刚度柔性单腿建模及能耗分析

为了改善传统刚性足式机器人运动高能耗问题,通过仿生学研究总结人类跑跳运动刚度与能效相关性,建立具有主—被动复合变刚度的串联柔性单腿数学模型,对减速器、柔性关节阻尼、功率流进行了详细描述;选定单腿模型主要参数并结合仿生学设计关节"三段式"被动变刚度特性,采用Hertz模型进行触地碰撞仿真,验证了具有被动变刚度特性的柔性单腿比定刚度柔性单腿具有更好的稳定性;通过对原地跳跃运动、支撑相水平运动两个过程的仿真计算,得出不同运动情况下腿部刚度与能耗的变化规律。研制了具有主—被动复合式变刚度柔性关节及基于该关节的单腿样机,联合NI-cRIO系统实验,验证了不同运动情况下合理调整刚度系数能够改善足式机器人能耗的结论,与仿生学研究相符。     

永磁变刚度柔性关节的力学分析与控制器设计

提出一种采用永磁弹簧、绳索驱动、梯形布置的拮抗式变刚度柔性机器人关节,能够根据任务需要,实时调节关节刚度。所述永磁弹簧装置,在绳索提供力矩一定的情况下,增加了关节刚度变化范围,同时减小操作臂的质量与惯量。对提高柔性机器人关节的运动性能具有重要意义。对关节空间与绳索空间的映射关系进行推导并利用雅可比矩阵和模型间静力学关系,得到关节刚度模型,进而实现关节刚度与位置解耦。以轨迹控制为目标,设计了一种双闭环解耦控制器,并进行了试验验证。仿真分析与试验结果共同表明,该柔性关节在较宽刚度调整范围内,都具有较好的位置响应特性和轨迹跟踪能力。上述结构与控制方式同样也适用于多自由度并联柔性机器人关节。     

气动上肢康复机器人伺服控制和运动规划研究

针对中风导致的人体上肢运动功能障碍,提出了一种气动上肢康复训练机器人系统,并研制了二自由度的机器人样机。以带位置检测传感器的摆动气缸作为机器人的关节驱动模块,用比例调压阀作为控制元件,采用PD+速度前馈的柔顺控制策略,对机器人的关节旋转角度实施精准控制。同时,设计了机器人的复合运动轨迹规划,以取水和擦玻璃动作为任务,带动手臂进行康复训练实验。通过样机的测试,验证了控制策略的有效性和康复轨迹规划的可行性。     

一种手指关节康复训练器械的设计与动力学仿真分析

针对指伸肌麻痹、手指及腕挛缩无力等手指功能障碍患者康复设计了一种可穿戴式康复训练器械。整体器械与上肢固定护具结构基于逆向工程个性化定制。通过推导其位形运动学,求解训练器械的各个关节运动参数与指节的位置姿态之间的关系,探究康复训练过程。使用ADAMS对手指关节康复训练器械做动力学仿真分析,验证了手指康复训练器械设计方案的正确性。按照该方案3D打印制作出物理样机,开展试验对比和优化设计,为实现个性化上肢关节康复训练器械的研制提供重要技术支持。     

5-DOF上肢康复机械臂交互式康复训练控制策略

设计一种5-DOF穿戴式偏瘫上肢康复机械臂系统,提出被动和主动两阶段的交互式康复训练控制策略。在被动训练中,根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,提取偏瘫患者的健侧上肢4块肌肉的表面肌电信号(Surface electromyogram, sEMG) 作为康复机械臂的控制信号,利用AR参数模型和BP神经网络来理解患者的运动意图,驱动机械臂辅助患侧上肢实现特定的康复训练动作。在主动训练中,通过实时获取各关节力矩信号来判断人体上肢的运动所产生的作用力方向与大小,并利用比例控制器和运动学雅可比逆矩阵控制康复臂末端速度、驱动各关节运动。试验结果证明了提出方法的正确性和有效性。     

可调偏置式SMA双程驱动器设计及驱动特性分析

偏置式SMA弹簧双程驱动器的驱动弹簧和偏置弹簧一旦确定,则驱动器的工作温度就无法改变。针对这一缺点,设计了一种通过调节偏压力来改变工作温度的可调偏置式SMA双程驱动器。基于Brinson一维本构模型得到SMA弹簧理论模型,并结合弹簧受力变形分析设计了SMA弹簧和偏置弹簧。仿真得到SMA弹簧刚度-温度、驱动器位移-温度、驱动力-温度变化曲线,并对不同偏压力下驱动力随温度变化关系进行研究,结果表明所设计的驱动器可实现双程运动,调节偏压力可有效改变驱动器的响应温度。     

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。     

外骨骼上肢康复机器人的运动学研究与验证

为使人机协作更加紧密,确定合理精确的上肢运动模型,根据人体上肢解剖结构,提出一种8关节上肢外骨骼康复机器人的设计。在以往上肢机器人基础上做出改进,根据上肢复杂结构建立精确的等效运动学模型,实现机器人与肩关节内部结构变化的紧密结合,可有效缓解治疗中的不适;进而准确模拟出上肢运动可达的工作空间,并利用简洁的逆运动学算法对各关节变量进行求解;根据人体运动特性,运用倍四元数位姿插值法进行任务空间的轨迹规划,并通过SolidWorks、MATLAB、V-REP软件仿真验证,证明了设计的合理性与算法的可行性。