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。     

基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与步态仿真

以人类的构造为原型,基于仿生学的角度,设计了一种下肢单腿7自由度的仿人机器人.通过三维光学动作捕捉系统采集人体正常行走时的运动位置坐标,分析数据,获取人体步态行走时的关节角度及下肢各关节力矩变化规律;建立了下肢7自由度运动学模型并进行逆运动学分析,求解出下肢各关节角度的变化情况,并根据步态规划求解出仿人机器人步行运动过程中下肢各关节转动角度;在UG环境中建立下肢7自由度的仿人机器人三维模型,并利用多体动力学软件Adams进行动力学仿真,结合步态运动规划求解出的角度变化情况对仿真参数进行设置,通过虚拟样机完成仿人机器人的步态行走,并将仿真数据和动作捕捉实验获取的数据结果进行对比.研究结果显示,仿人机器人能够实现稳定的步态行走,确认了整体建模思路、运动学分析以及动力学仿真的准确性.以实验结果为基准,仿真所获得的髋关节和膝关节力矩值相对于实验值的相对误差分别为6.7％和9.6％,均在合理的范围内,为仿人机器人结构设计和电机选型提供了依据.     

一种视觉引导助老服务机器人的总体设计

为辅助老年人的日常生活,采用视觉导航方式,完成了基于ARM7和数字信号处理器（DSP）双处理器的嵌入式控制系统的硬件设计,开发了一种在室内一定的结构化环境中可实现“到达并抓取”功能的助老机器人-“服务1号”。该机器人结构新颖,采用轮式移动方式,具有两种构型相异的多自由度机械手臂,实现了在一定结构化环境中避障行走、双臂协调作业,完成了“到达并抓取”的任务。实验结果表明,该研究为进一步研究视觉伺服算法奠定了基础。     

下肢外骨骼虚拟样机设计研究

步态分析是外骨骼机器人设计中不可或缺的技术环节。以人体步态运动规律作为下肢外骨骼运动姿态控制的基础,有利于实现良好的人机匹配。采用Vicon运动分析系统进行了运动学实验与分析。在人机交互的基础上,拓展人的运动功能,因此在下肢功能障碍患者康复训练、老年人及正常人助力行走、单兵装备中获得广泛关注与应用。以人机功能匹配为设计出发点,采用Vicon运动分析系统进行了步态行走实验,以步态参数作为下肢外骨骼运动控制依据。通过ADMAS运动仿真与拉格朗日方程计算结合的方式,得出动力学参数。进而完成了一款兼顾行走助力功能与低成本的下肢外骨骼虚拟样机设计。     

下肢动力外骨骼设计分析与实验

为有效解决下肢肌肉功能退化及中风偏瘫等疾病导致的老年人下肢运动功能障碍,从康复医学的角度,分析了康复运动对下肢功能障碍患者恢复的重要性,结合人体生理结构,建立了人体肌骨模型,进行了肌骨仿真分析。为了准确判断患者的运动意图,设计了3种外骨骼专用传感器。在此基础上,提出了力感知助力关节结构方案,并设计了下肢动力外骨骼整体结构,进行了人机耦合运动学仿真分析。在结构设计的基础上,设计了下肢外骨骼的硬件及电气系统。为了验证理论研究的正确性,加工了外骨骼实验样机,进行了相关实验。实验结果说明,设计的外骨骼专用传感器可以准确获取相应信号,助力关节可以提供较大的关节助力,设计的下肢动力外骨骼能够准确判断患者的运动意图,可以长时间稳定安全地进行平地行走及斜坡行走。     

面向静态稳定的可变形助行外骨骼机器人运动规划

助行外骨骼机器人能够辅助下肢运动障碍人群站立行走,但相较于电动轮椅在移动距离与移动速度上存在不足。因此设计了一款可变形助行外骨骼机器人,具有助行外骨骼与电动轮椅两种相互独立可转换的形态。针对可变形助行外骨骼机器人变形与行走两种运动过程,研究面向系统静态稳定的运动规划。描述了可变形助行外骨骼机器人的变形原理;提出了基于系统重心投影点位置的运动规划方法,分析了外骨骼机器人在变形与行走过程的静态稳定性;完成了健康受试者穿戴外骨骼的变形与行走运动实验,实验中系统的稳定裕度分别大于54 mm和20 mm。实验结果表明,利用面向静态稳定的运动规划方法,可变形助行外骨骼机器人能够实现稳定可靠的变形切换与连续行走。     

基于步态的下肢康复用外骨骼机器人运动分析

穿戴式下肢助行外骨骼机器人是一种能够帮助行走不便的老人和具有行走功能障碍的患者进行辅助行走的仿人服务机器人,其康复训练设备已提升为国家战略性研究项目,越来越得到重视。通过对人体下肢运动机理以及步态的研究,并基于动力学仿真软件Adams对外骨骼机器人的受力和步态进行仿真分析,验证步态的合理性,同时对以后行走的合理性提供依据以及为进一步设计出一种新型穿戴式下肢助行外骨骼机器人样机提供参考。     

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。     

双足步行机器人设计

随着机器人技术的发展和控制理论的逐步成熟,对双足机器人的稳定性问题、双足机器人步行移动及其各种仿人动作的研究正受到国际学者们越来越多的普遍关注。为了实现机器人的稳定行走,采用了180°数字舵机,且具有强大处理能力的微控制芯片STM32F103C8T6,完成了步行机器人自主行走所需的硬件设计;采用U型梁、多功能支架等组成了6自由度结构完成小车的机械结构设计,结构设计精简,便于安装调试;实现了步行机器人的稳定、精确行走的功能。试验结果表明,该步行机器人能够实现稳定、精确行走,远程控制的功能,且性能优越,应用前景广泛。     

小型吸附式爬壁机器人机械结构及平衡性

设计并制作了一种爬壁机器人,代替人类完成攀爬和检测任务,其主要功能包括在垂直平面上的直线行走、任意曲线行走、两垂直墙壁内角的翻越、垂直墙壁与水平面之间内角的翻越等.机器人采用两层结构,上下层由铰链连接,上下两层之间通过一铰接的移动副产生相对移动,完成爬壁机器人躯干的移动动作.吸附式爬壁机器人的吸附功能由连接在腿上的吸盘完成.机器人由真空发生器产生真空,使真空吸盘与墙面紧密吸附.根据机器人的各种运动姿态,分析了该机器人墙壁吸附的平衡条件,导出了选择吸盘及气压元件的标准;经仿真与实验,该机器人可以达到设计的功能.     

Biped walking robot based on a 2-UPU+2-UU parallel mechanism

Existing biped robots mainly fall into two categories： robots with left and right feet and robots with upper and lower feet. The load carrying capability of a biped robot is quite limited since the two feet of a walking robot supports the robot alternatively during walking. To improve the load carrying capability, a novel biped walking robot is proposed based on a 2-UPU＋2-UU parallel mechanism. The biped walking robot is composed of two identical platforms（feet） and four limbs, including two UPU（universal-prismatic-universal serial chain） limbs and two UU limbs. To enhance its terrain adaptability like articulated vehicles, the two feet of the biped walking robot are designed as two vehicles in detail. The conditions that the geometric parameters of the feet must satisfy are discussed. The degrees-of-freedom of the mechanism is analyzed by using screw theory. Gait analysis, kinematic analysis and stability analysis of the mechanism are carried out to verify the structural design parameters. The simulation results validate the feasibility of walking on rugged terrain. Experiments with a physical prototype show that the novel biped walking robot can walk stably on smooth terrain. Due to its unique feet design and high stiffness, the biped walking robot may adapt to rugged terrain and is suitable for load-carrying.     

半步行移动机器人的稳定性研究

用半步行移动机器人步行时的动力学方程，对影响机器人步行时的稳定性因素进行分析，为机器人的机械结构设计和驱动系统设计提供了依据。     

足式机器人轻量化液压驱动执行器质量建模及灵敏度分析

液压驱动执行器是航空航天、机器人和工程机械等高端移动装备中的核心执行元件,是液压系统的“肌肉”。对液压驱动执行器进行轻量化设计是提升上述高端移动装备的续航能力、机动性和承载能力的主要途径之一。以适用于足式机器人腿部关键驱动的液压执行器为研究对象,首先建立执行器各部件精确质量模型。然后,采用可以定量评估参数对模型影响的基于Sobol的全局灵敏度分析方法,并结合蒙特卡洛数值模拟方法增强其分析效率,揭示了质量参数变化对执行器质量的影响规律,最终得到了影响液压驱动执行器质量的关键参数,并通过系统建模验证了灵敏度分析结果的准确性。同时,所采用的分析方法为通用方法,可对不同液压驱动执行器进行质量建模并进行灵敏度分析,为其轻量化设计提供重要理论参考。     

套装式助力机器人动力学建模与仿真

针对老年人或者下肢功能较弱患者自主行走存在一定困难的问题,研究了一种能够辅助其行走的套装式助力机器人.机器人工作时绑缚在人体上,为行走提供动力.机器人左右对称,单侧机构包括髋关节和膝关节两部分,分别由直流电机驱动丝杠螺母机构的电动缸实现.基于Matlab/Simulink和SimMechanics建立了套装式助力机器人...     

半步行移动机器人的动力学建模

对半步行移动机器人行走机构的结构进行了分析。应用方向余弦矩阵理论和牛顿-欧拉动力学理论建立了机器人步行时的动力学模型，为机器人的结构优化设计提供了理论依据和为机器人的控制算法提供了数学模型。     

两足步行椅机器人及其稳定性计算研究

两足步行椅机器人是一种为残疾人设计,用来替代轮椅和假肢的助残机器人.本文介绍了两足步行椅机器人的整体机构设计,并以前向运动为例,详细讨论了利用ZMP理论进行步行稳定性计算的方法,最后通过计算机仿真验证了这一计算方法的有效性.     

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。     

电液位置伺服控制系统的研究

以某公司的电液位置伺服控制系统为对象，分析了该伺服系统的液压动力元件、液压执行元件、主控制器等构成的反馈控制系统工作原理。根据系统的控制要求，完成了液压部分各个模块的性能分析，并提出以FPGA为核心的控制器方案。通过对系统实际性能要求分析，给出了系统总体设计方案，并且进行了现场调试，实现数据的实时交互，并将处理结果以曲线的形式展示，以供数据分析处理并进行参数调整。结果证明，该控制器能够满足控制系统提出的总体任务要求，达到了预期的设计效果。     

深孔加工机器人结构设计及液压行走控制系统研究

针对超长管件难加工现象,设计了对超长管件内孔进行切削加工的深孔加工机器人,确定了机器人的机械本体结构,并对步进原理进行了研究.运用Pro/E 10.0,建立了机器人三维实体模型,验证了总体结构设计的正确性与合理性.最后给出了机器人步进装置具体的液压控制方案.     

Kinematics and dynamics analysis of a quadruped walking robot with parallel leg mechanism

It is desired to require a walking robot for the elderly and the disabled to have large capacity,high stiffness,stability,etc.However,the existing walking robots cannot achieve these requirements because of the weight-payload ratio and simple function.Therefore,Improvement of enhancing capacity and functions of the walking robot is an important research issue.According to walking requirements and combining modularization and reconfigurable ideas,a quadruped/biped reconfigurable walking robot with parallel leg mechanism is proposed.The proposed robot can be used for both a biped and a quadruped walking robot.The kinematics and performance analysis of a 3-UPU parallel mechanism which is the basic leg mechanism of a quadruped walking robot are conducted and the structural parameters are optimized.The results show that performance of the walking robot is optimal when the circumradius R,r of the upper and lower platform of leg mechanism are 161.7 mm,57.7 mm,respectively.Based on the optimal results,the kinematics and dynamics of the quadruped walking robot in the static walking mode are derived with the application of parallel mechanism and influence coefficient theory,and the optimal coordination distribution of the dynamic load for the quadruped walking robot with over-determinate inputs is analyzed,which solves dynamic load coupling caused by the branches’ constraint of the robot in the walk process.Besides laying a theoretical foundation for development of the prototype,the kinematics and dynamics studies on the quadruped walking robot also boost the theoretical research of the quadruped walking and the practical applications of parallel mechanism.