2URR-SRR-RUPUR并联式腿部康复机器人机构设计与运动性能分析

基于腿部关节康复机理,提出了一种2URR-SRR-RUPUR 4自由度并联式腿部康复机器人,该机构能够实现踝关节的外展和内收运动、膝关节的屈伸运动、髋关节的内旋和外旋运动以及腿部的牵伸运动。基于螺旋理论分析了该机构在一般位型和初始位型下的约束螺旋系和自由度性质。建立了2URR-SRR-RUPUR并联机构的运动学模型,采用闭环矢量法求解机构的运动学逆解并分析了机构的速度雅可比矩阵,在此基础上,对机构的工作空间和奇异性进行研究,得到了机构的工作空间图和奇异位型。基于腿部关节康复运动路径对机构进行轨迹规划,将规划结果采用SolidWorks Motion软件进行运动仿真分析,仿真结果表明,机构运动连续平滑,适合腿部康复运动训练,具备良好的应用潜力。     

一种新型弹性足式机器人腿部结构设计与分析

提出了一种新型弹性足式机器人腿部结构设计方法。设计了一种结构简单、响应速度快、抗冲击性强的新型足式机器人腿LCS-Leg(Linkage cable-drive spring leg)。该机器人腿采用弹性连杆机构和线驱动系统,有效降低了腿部惯量和着地冲击力,提高了机器腿的响应速度和减振抗冲能力。使用复数矢量法和D-H方法建立该机器腿运动学模型,基于此模型求解足端运动工作空间,分析了LCS-Leg的越障能力。设计单腿仿真试验平台,对两种不同结构的机器腿进行仿真,对比两者的质心高度、前进速度和足端接触力,验证了所设计机器腿的运动性能。试制弹性足式机器人腿及其试验平台,通过实物样机单腿行走试验,验证了设计方法的有效性,并完成了四足机器人整体结构设计。     

基于髋关节高度恒定的静态步态规划

外骨骼机械腿是一种扩展下肢运动能力的助力装置,主要帮助腿脚不便或腿部力量减弱的老年人群和残疾人士,完成简单的跨步,上下阶梯,跨越障碍等任务,并有一定的治疗和矫形效果。根据人行走的姿态和机构的特征,建立了机械腿的运动模型和力学模型。考虑到支撑框架固定在机械腿的髋关节上,为了避免框架在行走过程中随着人重心的变化上下运动,提出了一种基于髋关节高度恒定的静态步态规划。通过确立步行周期内各个关键姿态的位姿,采用多项式曲线拟合出每个关节的运动轨迹方程,并对这种静态步态进行了稳定性分析,通过实验仿真验证了这一规划方法的可行性。     

教学型双足步行机器人直线行走步态稳定规划方法

通过对双足机器人行走步态的研究,利用多项式插值法对双足机器人直线行走步态进行规划,分析了踝关节轨迹和髋关节轨迹,通过调节单腿支撑期和双腿支撑期的比例系数来调整机器人的行走步态,使其实现稳定步行。再通过ADAMS建立虚拟样机仿真实验,验证了这种步态规划方法的正确性与可行性。     

双足机器人平地行走步态规划的研究

为了研究双足机器人平地行走过程中的步态规划问题,在二维倒立摆模型的基础上提出了周期、起步和止步三步规划法,并利用速度和位移约束实现了三个步行阶段的平稳过渡,利用倒立摆简化模型和五次样条多项式插值方法得到各个阶段质心和摆动腿踝关节的轨迹,再根据腿部关节转角简化模型利用几何法求得双足机器人的10个关节角运动轨迹;最后通过ZMP方程检验并在Matlab软件中仿真,验证步态规划的合理性并为机器人后续虚拟样机研制和仿真提供理论依据。     

仿人机器人平地行走步态规划与仿真

为研究仿人机器人的平地行走运动,首先,根据人体结构特点和运动特征,并基于二维倒立摆原理,规划机器人平地行走过程中质心和摆动腿踝关节的运动轨迹;其次,通过建立机器人支撑腿和摆动腿的几何模型,对前向、侧向运动中两条腿所涉及的10个自由度的运动进行规划;进一步,根据逆运动学求解各关节角的运动轨迹,利用仿真软件ADAMS建立仿真模型,并进行平地行走虚拟仿真。仿真结果验证了文中所采用的步态规划方法的可行性,同时也验证了机器人结构设计和电机选型的合理性,为机器人样机的研制提供了理论依据。     

电液驱动六足机器人三维空间力学分析

建立了六足机器人的腿部机构三维空间模型,对其关节液压缸设计优化问题进行了讨论。接着进一步建立了腿部机构力学模型,通过对静力学分析得到了机器人稳定状态时各关节的输出力矩特性,同时采用拉格朗日方法对机器人单腿机构进行了动力学分析,得到了单腿结构在运动过程中各关节的输出力矩特性。最后根据动力学分析结果用ADAMS软件对单腿机构进行了足端轨迹和腿部位姿仿真,仿真结果验证了腿部结构的运动平稳性,为后续研究工作提供了理论支撑。     

双足机器人腿部新构型设计与试验研究

探究高动态性能双足机器人对腿部设计的要求,阐明机器人腿部设计准则、设计方案和实现措施。提出一种腿部串并联新构型方案,膝关节驱动器上移到髋关节,踝关节驱动器上移到膝关节,膝关节驱动器通过简化五连杆机构将运动传递到膝部,踝关节驱动器通过并联四连杆机构将运动传递到踝部。对踝关节并联机构和整个腿部关节进行运动学正逆解,建立新构型机器人的仿真模型。考虑运动控制算法,完成机器人动力学仿真。测试准直驱驱动器性能,并完成串并联构型腿部样机试验验证,机器人可实现0.4m/s的行走速度。结果表明,提出的腿部串并联新构型与传统串联构型比具有更高的运动性能,新构型机器人性能在真机测试中得到验证。该串并联新构型方案在双足机器人和其它服务机器人领域具有广阔的应用前景。     

基于傅里叶级数的踝关节运动模型研究

对人体下肢运动模型的研究是外骨骼机器人驱动和控制系统的核心内容之一,针对利用分段函数拟合踝关节运动模型时存在拟合过程复杂、模型高阶求导之后不连续等缺点,采用傅里叶级数拟合法建立踝关节在矢状面内平地行走运动模型,通过该方法获得的踝关节运动模型具有简洁、准确、无冲击等特点,而且该运动模型还具有高阶连续性和可导性。最后,通过实验验证该模型可以描述健康人体平地常速行走时踝关节运动特征;同时通过ADAMAS进行运动仿真,验证其用于外骨骼机器人的踝关节驱动的正确性。该运动模型研究为研究健康人体正常行走时踝关节运动特征提供了重要的理论依据,并为外骨骼机器人踝关节的驱动和控制提供了参考模型。     

下肢外骨骼机器人踝关节建模及动力学仿真

下肢外骨骼机器人是一种具有辅助助力和医疗康复功能的智能型机械装置。本文通过对人体踝关节结构分析,设计了被动气弹簧踝关节下肢外骨骼机器人,并建立了被动踝关节力学模型;利用OpenSim获得了正常人行走时一个步态周期髋、膝关节步态数据,将其导入ADAMS对所设计的下肢外骨骼机器人踝关节未加气弹簧和加气弹簧两种模型进行了动力学仿真,通过对两种模型运动曲线对比分析,验证了所设计的下肢外骨骼机器人在步态行走和动力学方面的可行性和正确性。     

Gait generation and change of direction for the underactuated three-legged robot

This paper describes a three-legged robot that consists of one actuated leg and two passive legs. The active leg has a knee joint and an ankle joint. The passive legs have no knee joint, although they have a passive ankle joint respectively. The passive leg part and the actuated leg part are linked by a hip part. The robot behavior is passive while the robot is supported by its passive legs and swings the actuated leg part. Generally, in the event that an actuator or a transmitting mechanism fails, robots cannot apply torques to the joint. We therefore took up a walking robot with passive knee joints not only for the energy-efficient walking but also with a view to making ambulation failsafe in case of mechanical failures.     

一种仿动物关节或腿刚度的机械腿结构设计方法

针对当前机械腿关节和动物腿关节之间、机械腿和动物腿之间的刚度曲线都有一定偏差的问题,提出了一种仿动物关节或腿刚度的机械腿结构设计方法。基于虚功原理和曲线插值法获得了动物关节或腿刚度曲线方程,并进行了Patran、Nastran、Adams联合仿真,提出了仿动物关节或腿刚度的机械腿结构设计方法及其优化方法。基于人体基本参数及人跳跃过程中腿刚度相关参数,进行了仿人腿踝关节刚度的机械腿结构实例设计和轻量化设计。仿真结果验证了该设计方法的有效性和可行性。     

双足步行机器人的下肢机构设计

为使足行拟人机器人的下肢机构结构更加紧凑灵活,提出了一种串并联结构相结合的双足步行机器人下肢机构设计方案。在该方案中,设计了二自由度的并联机构作为十字交叉的二自由度关节结构,并用于二自由度的踝关节和两个方向转动的髋关节。设计了单自由度平面连杆机构用于膝关节和一个方向转动的髋关节。详细描述了足行机器人下肢机构的踝关节、膝关节和髋关节的结构设计,为双足机器人的步态控制打下基础。     

仿生机器蟹运动系统能量分析

对仿生机器蟹行走过程中关节能量进行分析,目的是决定系统性能和在系统运动过程中的运动变量的最优选择。这些运动变量主要包括步态、占空系数、躯体高度、步长、最大的抬腿高度等。定义了平均功率、平均功率偏差、平均驱动力矩3个指标,用于定量地衡量仿生机器蟹行走过程中关节能量的变化。依据指标设计了一系列的试验,得到了运动参数与关节能量之间的关系及运动参数选取的参考数据。     

双足交替支撑轮滑步态的实验研究

单台摄影机拍摄是研究二维平面步态运动的传统方法,将其与正交摄影法相结合,并通过参考平面和参考标记点的引入,能较好地确定额状面内关节标记点的横向坐标,对具有三维运动特征的人体“单腿支撑单腿摆动”轮滑运动步态进行定量的实验研究,所得实验结果能从仿生学角度指导双足溜冰机器人的步态设计。     

Contributions of the lower extremity joint on the support moment in normal walking and in unexpected step-down walking

ARelative contributions of lower extremity joints on the support moment were investigated in this study Three-dimensional gait analyses were performed in normal walking and in unexpected step-down walking For both gait studies, inverse dynamics were performed to obtain each joint moment of the lower extremity, which was applied to the forward dynamics simulation to determine the contributions on the support moment at different phases of walking The forward dynamic simulation results showed that, in normal walking, the ankle plantar flexois contributed significantly during single-limb-support However, the ankle plantar flexors, knee extensois and hip extensors worked together duimg double-limb-support In unexpected step-down walking, the important contributors on the support of the body during single-limb-support were not only ankle plantar flexors but also knee extensors This study, analyzing the relative contributions of the lower limb joint moments for the body support, would be helpful to understand diffetent unexpected walking conditions and compensatory mechanisms for various pathological gaits     

基于人行走能耗分析的踝关节外骨骼设计

基于对人体行走的能耗分析,设计了一种新型有源无动力踝关节外骨骼。首先,基于耦合摆模型建立人体行走摆动相动力学方程并采用打靶法求解。根据动量守恒原理分别计算摆动腿膝关节锁定、脚跟着地以及关节摩擦引起的能耗率。计算结果表明,脚跟着地引起的能耗率远大于膝关节锁定和关节摩擦引起的能耗率。然后,基于该能耗分析结果设计了一种足底弹性储能机构将脚跟着地时的能耗存储起来,在跖屈蹬地阶段释放助力。通过前脚掌压力信号控制电磁铁驱动的离合机构,实现对助力弹簧夹紧与释放的状态切换。样机实验结果表明：足底储能机构可以提高外骨骼的输出力矩和功率,提升助行能力;外骨骼的最大输出力矩为19N·m;穿戴该外骨骼行走时小腿三头肌激活度相较于不穿戴时最大下降约8.6%。踝关节角度测量结果表明,在摆动相期间外骨骼很少干扰穿戴者踝关节的正常活动。     

Kinematic modelling of a robotic gait device for early rehabilitation of walking

Rehabilitation of walking is an essential element in the treatment of incomplete spinal cord injured (SCI) patients. During the early post injury period, patients find it challenging to practice upright walking. Simulating stepping movements in a supine posture may be easier and promote earlier rehabilitation. A robotic orthotic device for early intervention in spinal cord injury that does not require the patient to be in an upright posture has been modelled. The model comprises a two-bar mechanical system that is configured and powered to provide limb kinematics that approximate normal overground walking. The modelling work has been based on gait analysis performed on healthy subjects walking at 50 per cent, 75 per cent, and 100 per cent of normal cadence. Simulated angles of hip, knee, and ankle joints show a comparable range of motion (ROM) to the experimental walking data measured in healthy subjects. The model provides operating parameters for a prospective recumbent gait orthosis that could be used in early walking rehabilitation of incomplete SCI patients.