基于虚拟样机技术的外骨骼助力搬运机器人结构设计与仿真研究

针对现有外骨骼助力搬运机器人结构复杂、价格昂贵的问题,对外骨骼助力搬运机器人虚拟样机技术的结构设计、运动学与控制仿真展开了研究。设计了一款结构相对简单,在人体弯腰搬运重物时对人体腰部提供助力,且肘关节设计为自锁机构的可穿戴全身外骨骼助力搬运机器人;通过对外骨骼下肢运动学模型建立了D-H坐标,进行了正逆运动学分析;利用虚拟样机技术,采用人体步态行走时所采集的实验数据,对外骨骼助力搬运机器人进行了步态运动的仿真分析与联合控制仿真。研究结果表明:所设计的外骨骼助力搬运机器人的步态仿真运动与人体的实际数据相符,验证了所设计结构的稳定性与可靠性。     

虚拟外骨骼机构的仿真研究

可穿戴型下肢外骨骼机器人,也简称为助力腿,可以用来完成依靠人的自身能力无法单独完成的远行、负重、爬楼等任务。通过对人体下肢的骨骼结构和运动情况进行分析,设计了一套助力腿机构;通过建立三维立体模型,对机构运动情况进行模拟仿真研究,并与人体运动的实际情况进行对比。     

下肢外骨骼助力机器人本体结构设计与运动学分析

下肢外骨骼助力机器人是一种可以拓展人体关节机能,并可在特殊环境下作业的人机共融型机器人。基于人体下肢生物力学特点,阐述了下肢外骨骼助力机器人的机构设计原理及过程,分析了外骨骼机构的运动学关系,通过ADAMS匹配外骨骼与关节驱动范围并进行了机构优化,可以完成人体的代表性深蹲动作,为外骨骼助力行走留有较大的关节运动裕量,虚拟样机联合仿真也验证了外骨骼助力机器人的设计可行性。     

下肢康复机器人结构设计与仿真分析

针对下肢轻度瘫痪的患者能够自行锻炼肌肉的问题,提出了一种可穿戴式下肢康复机器人设计方案,通过机构辅助运动以实现下肢髋、膝、踝关节的训练。参考了人体下肢的基本尺寸,采用了连杆机构来模拟人体下肢;建立了人机一体化模型,并结合ADAMS仿真分析软件进行运动学仿真,得到该机器人模型下肢各主要关节的运动轨迹,再对其运动轨迹进行了分析。研究结果表明:该下肢康复机器人结构设计具有较高的可行性,能达到锻炼下肢轻度瘫痪患者肌肉的目的。     

外骨骼机器人系统中人体下肢关节力矩动态解算

利用下肢外骨骼关节位移传感器及惯性导航单元采集人体运动信息,计算获得下肢髋、膝关节的相对角度以及躯干的姿态和加速度,通过动力学逆解实时解算穿戴者运动所需的关节驱动力矩。在此过程中,利用人体五杆模型,对人体下肢的运动进行了运动学和动力学分析,通过Matlab/Simulink软件编程求解,得到了人体下肢关节在连续步态周期内关节力矩的变化,通过对比计算获得的支撑踝关节力矩值与足底力传感器实测值,证明了关节力矩求解方法的正确性,保障了外骨骼机器人能够根据此力矩对穿戴者提供助力。     

下肢康复训练机器人设计及分析

结合人体工程学相关标准,建立下肢康复机器人机构与人体的联合模型,联合仿真确定机器人机构的关节转角范围,根据仿真的踝关节工作空间确定机器人机构的杆长参数。基于D-H法建立了下肢康复机器人的运动学正解和运动学逆解,利用Sim Mechanics工具箱搭建机器人机构模型,以机构模型输出作为实际输出,与运动学理论模型输出进行误差对比,验证了运动学模型的正确性,并基于机构运动学建立了机器人的动力学模型。搭建的运动学和动力学模型为实验样机的控制和轨迹规划提供了重要理论基础。     

可穿戴型下肢外骨骼助力机器人设计与研究

为拓展人体下肢关节机能,完成特定环境下的人机协同作业任务,介绍了一种可穿戴型下肢外骨骼助力机器人。在研究人体行走特点和下肢助力需求基础上,实现了外骨骼的机械结构设计与建模计算,针对外骨骼作业特点设计了电液伺服助力系统;通过虚拟样机运动仿真与外骨骼行走实验,匹配了驱动器与外骨骼的运动范围并优化,通过外骨骼辅助人体辅助站立实验验证了外骨骼与人体下肢运动范围匹配性及助力效果等,实验结果表明外骨骼助力机器人设计可行。     

主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人的设计与效能评估

针对上肢外骨骼机器人对使用者腰背产生过重负荷的问题,设计了一种主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人,利用无源下肢外骨骼来承担部分负荷。基于助力外骨骼应用场景和人体结构特征分析,建立外骨骼机器人的机械结构模型,完成运动学仿真分析,验证了模型的合理性。为解决外骨骼机器人效能评估问题,提出一种模糊综合评估模型,详细介绍了外骨骼机器人的效能评估方法,评估结果为性能良好。研制外骨骼机器人样机,搭建总体控制系统,开展助力性能和负重性能测试实验。实验结果表明,所设计的上下肢一体化助力外骨骼机器人可承受20 kg的负载且对穿戴者提供一定的助力效果。所提出的模糊综合评估模型,为外骨骼机器人的优化设计提供了方向和理论依据。     

行走助力型下肢外骨骼机器人的设计与控制

针对行走助力需求,通过对人体下肢结构与运动特征进行分析,采用模块化的方法设计了一款下肢助力外骨骼机器人。考虑不同场景穿戴者的运动特点,基于该系统设计了主动助力与随动跟踪 2 种控制模式。行走实验表明,该下肢外骨骼机器人既可以实现负重助行的功能,也能对目标关节轨迹进行快速的跟踪而不阻碍穿戴者的正常运动。     

七自由度仿生机器人系统冗余问题研究

人体下肢的七自由度模型包括髋关节,膝关节和踝关节,但实际中下肢的运动只需要6个自由度即可,由于冗余引起的运动学干涉却没有现成的数学方法可以解决,同时又期望可穿戴机器人即外骨骼与人的交互能够同步,因而从运动学角度解决系统冗余问题。为了用数学方法描述冗余,定义一个旋转角度:由下肢大腿和小腿组成的平面绕髋关节和踝关节之间的虚拟轴的旋转角度。通过Matlab软件得到机器人的运动空间并与正常人体的运动空间进行比对,从而验证其可行性。     

一种简单的行走助力机器人的设计与仿真

行走助力机器人是近年来兴起一新的研究领域,它属于特种机器人的范畴。行走助力机器人可以增强人体下肢的力量,可以为老年人、残疾人、士兵和消防员等提供增强行走能力的服务。在本篇论文中,首先是在分析人体行走特定的基础上设计了一款简单的行走助力机器人,并通过运动学逆求解得到了各个关节的角位移计算方程。然后采用微分变换法来求取雅可比矩阵来对速度运动学进行分析。最后采用Pro/E和ADAMS对机器人进行了动力学仿真,并对仿真中出现的问题和测量所得曲线进行了分析。     

三轮全向足球机器人结构设计与系统模型研究

讨论了RoboCup中型组足球比赛中，全向机器人的结构设计及其控制方法，以所设计的三轮驱动的全向机器人为例，对系统进行了运动学以及动力学的分析与建模，最后对系统运动性能进行了分析探讨。     

下肢外骨骼行走康复机器人研究与设计

外骨骼机器人是一种可穿戴在操作者身体外部的一种机械装置,提供保护、身体支撑和运动等功能。文中设计了一种外骨骼行走康复机器人,该外骨骼康复机器人单下肢具有3个自由度,利用较少却必须的自由度来实现行走,降低了机构的复杂程度,提高了装置的效率,借助此外骨骼辅助患者摆脱轮椅站立起来并行走,通过采集拐杖与地面的接触信息来控制膝关节和髋关节的屈伸运动,从而帮助患者实现跨步。     

矢量场逐次迭代的人-机身体交流控制

为使人和机器人在身体交流中保持运动协调同步,提出了基于矢量场逐次迭代的人-机身体交流智能控制方法。对智能控制方法中具有任意目标轨迹的三维空间矢量场逐次迭代系统进行算法设计,使其输出的关节期望位移信号能与输入的扭矩信号保持同步,且同步强度要达到能实现参数可调的目的;分析了具备不同矢量场的两个逐次迭代系统的相互作用情况;以人和机器人身体交流的典型例子--下肢外骨骼助力机器人为对象,对该智能控制方法进行了应用仿真,并分析了关节扭矩成分对同步运动的影响。仿真结果表明该控制方法有效。     

面向助力机器人设计的人体负重楼梯行走下肢运动研究

利用Motion Analysis公司开发的步态分析系统对12名测试对象分别进行不同负重(0kg,10kg,20kg,30kg)的上楼梯行走实验,检测出上楼梯过程中,下肢关键点的三维坐标值及脚底与地面间的反作用力及力矩,通过建立人体下肢动力学模型,获得行走过程中下肢各关节的运动学及动力学行走数据,并分析出随着负重的增加,下肢各关节的运动变化特征。揭示了人体不同负重上楼梯过程中下肢各关节的运动机理,获得的运动学及动力学数据为下肢助力机器人的设计提供了重要的理论依据。     

负重外骨骼机器人的设计及其运动学动力学仿真

介绍了人体下肢骨骼结构以及人体步态数据,并在此基础上创建了下肢外骨骼机器人的零件模型及其装配体模型,然后将装配体模型导入到MSC.ADAMS软件中,进行运动学和动力学仿真。仿真结果表明:该外骨骼机器人结构合理,能够保证机构运动的灵活性与穿着舒适性;其次是动力学仿真结果反映了外骨骼机器人各关节处所受载荷的变化规律。     

基于CATIA V5的工业机器人运动学仿真研究

机器人三维运动仿真是当前机器人研究领域中重要的研究方向之一.利用高端三维CAD软件对六自由度M_6iB机器人建立三维运动仿真模型.采用D-H参数法建立了连杆坐标系下的机器人运动学模型,并利用Matlab编写了运动学方程的变换矩阵,最后利用软件对机器人的运动进行分析.研究了运动学方程的求解,基于CATIA V5的DUM中...     

基于闭环矢量法的骨盆位姿机构运动学分析

助行训练机器人是一种帮助偏瘫、截瘫患者进行行走训练的康复设备,其作用是通过对人体骨盆中心和腿部的控制实现行走功能,进而达到锻炼肌肉和康复行走功能的目的。该文提出了四自由度骨盆位姿控制机构,运用闭环矢量法建立了位姿控制机构的运动学模型,利用Matlab／Simulink完成了运动学仿真分析,得到了该机构的加速度、速度和位姿变化曲线,验证了该骨盆位姿机构方案的可行性以及运动学模型的正确性。该研究为助行训练机器人的控制系统设计提供了依据。     

基于地面反力检测的四足马机器人适应步行法

为适应国内外对四足马机器人进行的广泛研究,根据四足马机器人的结构模型和步行稳定性分析,对其适应步行法进行了研究。首先,介绍了具有12个运动关节和球形脚部的四足马机器人结构模型,并求出了其运动学反解;其次,在分析步行稳定性和检测地面反力的基础上,提出了一种四足马机器人适应步行的实现方法;最后,通过自制的小型四足马机器人进行了适应步行实验。实验结果表明,所提出的四足马机器人适应步行法具有可行性。