农用下肢外骨骼机构设计及仿真分析

我国大多数地区的农业生产仍有生产者手工完成,人工劳作不仅效率低而且负担重、工作量大。基于此,提出并设计了一种农用的下肢外骨骼机构。该机构旨在帮助人们更好、更快地完成农业生产。完成了8自由度(单腿)下肢外骨骼机械的结构设计;利用UG软件建立了该机构的三维模型;基于ADMAS软件对其进行了运动仿真分析;并根据仿真的结果来验证所设计外骨骼机构的合理性。     

下肢外骨骼机器人设计及实验研究

为实现下肢残障者的运动康复,设计液压驱动的下肢外骨骼机器人机构。针对下肢外骨骼的运动跟随需求,提出一种滑模控制器,并进行了控制仿真模拟。仿真结果表明：外骨骼采用该控制算法能较好地实现位置跟踪。基于dSPACE硬件在环实时仿真系统搭建了下肢外骨骼系统,进行了空摆实验、被动跟随实验及主动跟随实验。实验结果表明：设计的下肢助力外骨骼机器人能够为穿戴者提供助力,外骨骼样机的整体稳定性较好,对穿戴者具有良好的跟踪性能与快速响应性。     

一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真

设计了一种非拟人型下肢外骨骼,主要是由座椅、髋关节、大腿部结构、膝关节、小腿部结构、踝关节和鞋子依次串联而成,采用电机驱动。对下肢外骨骼进行了自由度分配与结构分析,根据坐标变换,运用D-H法建立下肢外骨骼的运动学模型。建立了下肢外骨骼虚拟样机模型,利用多体动力学仿真软件ADAMS进行运动学仿真。仿真结果验证了理论模型的合理性,为后期进一步研究外骨骼提供了依据。     

下肢外骨骼电液伺服控制系统的设计与仿真

根据已设计出的下肢外骨骼模型以及由公式推出的外骨骼运动特性,设计液压缸的负载轨迹情况;对液压控制系统进行静态特性和动态特性分析,确定出液压系统的参数;通过用Simulink仿真对P控制、PI控制、PID控制3种方法进行比较,最终确定利用PID控制方法驱动下肢外骨骼运动。     

外骨骼机器人设计及其机械结构的有限元分析

为了提高士兵的承载能力,降低在运动过程中的能量损耗,设计了一种液压驱动的可穿戴外骨骼机器人,该外骨骼机器人下肢具有12个自由度。根据外骨骼机器人的功能和工作原理,分析了外骨骼机器人的关键部位,并设计了外骨骼机器人的各部分的尺寸。利用有限元软件ANSYS对外骨骼机器人进行建模,对下外骨骼机器人进行有限元静力学仿真,并对大腿部位进行瞬态动力学仿真。通过仿真研究分析,验证了机构设计的合理性,对外骨骼机器人的进一步研究提供了参考。     

基于卡尔曼算法的外骨骼运动预判与控制

在人机交互时,由于人体下肢外骨骼获取的传感器信号滞后于人体运动实际形式,从而导致外骨骼机器人无法实时跟随髋关节、膝关节的运动,出现不能提供助力的问题。设计了一种下肢外骨骼模型,在此基础上,通过力/力矩传感器来获取信号,利用基于卡尔曼滤波算法对获取到的信息进行运动预判,然后将预判信号输入到下肢外骨骼机器人模型简化后的二连杆运动学模型上,通过采用PD控制检验系统稳定性以及预判精确性。最后进行MATLAB仿真实验,结果表明:信号经过卡尔曼滤波后能够有效预判人体运动形式,外骨骼下肢摆动腿在人体运动时能够进行有效地跟随,从而弥补延时。     

基于MATLAB的负重外骨骼多目标优化

简述一种液压驱动型可穿戴式负重外骨骼的整体结构设计;建立多目标优化模型,以膝关节液压缸受力最小和质量最小为目标,运用多目标优化方法中的线性加权和法对其进行优化处理,化多目标优化问题为单目标优化问题;分别利用MATLAB中的fmincon函数和遗传算法对该模型进行优化,使得液压缸的受力值和质量都大大降低,为负重外骨骼驱动系统节约了能耗,延长了使用寿命。     

下肢外骨骼机器人大腿板模态分析与拓扑优化

为提高下肢外骨骼机器人的性能,需对下肢外骨骼机器人部分零件进行结构优化。针对下肢外骨骼机器人大腿板,利用拓扑优化方法,将零件的模态数据作为优化依据。首先建立零件的三维模型,将其导入到Workbench软件中进行静力学分析和模态分析,得到大腿板在最大工作载荷处的最大应力和最大应变以及大腿板前4阶固有频率和最大振幅。然后进行开槽处理,将槽宽设为变量,求解出不同槽宽下的模态参数。最后根据固有频率和振幅参数,在满足减重需求和零件强度需求的情况下,选定槽宽的最优值。经开槽处理后大腿板质量减少明显,固有频率有所减小,抗振性能有所下降,但依然能够满足工况需求,且零件的静力学分析也能够满足要求,故验证了拓扑优化的可行性,对下肢外骨骼机器人结构优化具有参考价值。     

下肢外骨骼机器人结构设计与运动稳定性研究

为帮助下肢瘫痪人群恢复行走功能,设计出一款下肢外骨骼机器人。依据人体运动机制对各个关节的自由度进行了设计,确定了主动关节和被动关节类型并选用合适的驱动方式,详细介绍了主要部位的结构设计。论述了机器人的工作机制以及工作方式。建立下肢外骨骼机器人的连杆模型,规划出关节运动轨迹并求解出各个关节旋转运动曲线。利用ADAMS仿真软件将所规划的步态曲线进行仿真分析,仿真结果表明:各个关节运动曲线柔顺平滑,无明显冲击。在一个周期内,与理论计算值相比,各个关节的角度仿真值误差均小于±1.5°,在合理误差范围之内。利用COG理论验证步态轨迹的动态稳定性,证明了所规划的步态曲线的合理性。     

下肢外骨骼机器人踝关节混合柔性驱动设计与研究

为了提高人机交互的安全性、舒适性以及对复杂非结构化环境的适应能力,设计了一种基于串联弹性驱动和刚性驱动混合的新型下肢外骨骼机器人踝关节。在电机与外骨骼机器人负载之间引入线性弹簧组以实现柔性驱动,对机器人脚部触地等冲击起到缓冲减振作用。设计了碟刹装置实现刚性驱动功能,以快速精确的响应人踝关节的摆动,避免人机运动偏差。建立了踝关节的动力学模型,通过频域特性分析方法得到了踝关节在不同参数特性下的稳定性以及力跟随特性。仿真实验验证了外骨骼机器人踝关节在受到冲击时的缓冲减振特性,并且验证了模型的准确性和有效性。