基于气动肌肉驱动的下肢康复机器人设计与仿真

为实现气动肌肉在多自由度康复机器人中的应用,设计一种用于步态康复训练二自由度下肢康复辅助训练机器人,驱动器由气动肌肉和拉伸弹簧并联驱动关节以实现节能辅助行走。建立人体下肢运动学和动力学模型,并以标准CGA步态曲线作为关节输入,通过SolidWorks/Motion进行运动学仿真,验证所设计的模型符合人体下肢运动规律。针对气动肌肉伸展时存在非线性使得关节控制困难,提出了模糊自适应PID控制算法。在MATLAB/Simulink中进行仿真控制实验,仿真结果表明：相比传统PID算法,模糊PID自适应控制算法使外骨骼达到更好的跟随效果。最后通过实验平台验证了模糊PID自适应控制算法能够满足患者主动康复训练的需求。     

气动人工肌肉驱动的直线关节的研究

气动人工肌肉是一种由气压驱动的收缩型气动橡胶执行器,本文以一对气动人工肌肉驱动的直线关节为研究对象,将气动人工肌肉视为变刚度的气动弹簧,推导出气动人工肌肉直线关节系统的两种驱动模型,并对其驱动特性进行实验仿真研究。实验结果表明气动人工肌肉直线驱动关节具有与弹簧相似的驱动特性,为气动人工肌肉驱动直线关节的应用打下基础。     

气动人工肌肉刚度特性的分析

基于气动人工肌肉输出力的理想模型,推导出将气动人工肌肉视为变刚度弹簧的刚度表达式,并研究了由一对气动人工肌肉组成的直线驱动关节的刚度模型.仿真结果表明:在气动人工肌肉结构参数一定的情况下,直线驱动关节的初始刚度只与上、下气动人工肌肉的内部充气压力以及充气压力差有关,关节的刚度参数可通过改变上、下气动人工肌肉的充气压力来进行调节.研究结果为基于气动人工肌肉隔振控制研究奠定了基础.     

3DOF-PAM并联机器人设计与动力学建模

该设计依据气动肌肉特性和并联机器人理论,结合仿生学的设计方法,开发了一个3自由度气动肌肉并联机器人机构。基于气动肌肉的变刚度特性,将其简化为变刚度弹簧,并通过考虑其在机构运动过程中的质心变化特性,结合拉格朗日动力学方法对3DOF-PAM并联机器人进行动力学建模,运用MATLAB软件对建立的动力学模型进行仿真分析研究,分析3DOF-PAM并联机器人在不同负载下运动过程中的动力学特性,为气动肌肉驱动的并联机器人的高精度轨迹控制建立理论基础。     

编织型气动人工肌肉几何特性研究

以McKibben型气动人工肌肉为研究对象,对编织型气动人工肌肉工作机理进行了研究,建立了考虑端部有径向约束的气动人工肌肉几何模型,并对所建模型进行数值分析。通过与理想圆柱模型的对比,所建模型从理论上能更精确描述气动人工肌肉的工作特性,这对建立更加精确的气动人工肌肉模型有着重要的意义。     

气动人工肌肉静态特性实验及模型仿真研究

由于受到材料、端部结构、内部摩擦力等因素的限制,建立准确的气动人工肌肉数学模型十分困难。针对气动人工肌肉的内部摩擦力和橡胶弹性力,建立了比理想模型更加符合实际的改进数学模型。根据DMSP型气动人工肌肉的结构与特性,设计并完成了基于LabVIEW的静态特性实验。经过对比分析实验数据与应用MATLAB仿真得到的理想模型曲线和改进模型曲线,研究了橡胶弹性力与摩擦力对气动人工肌肉轴向收缩力的影响,为下一步拮抗关节和控制方法的研究打下基础。     

基于实验模型的气动人工肌肉位置控制研究

针对目前气动人工肌肉数学模型建模过程较为复杂的问题,提出一种气动人工肌肉的实验模型辨识方法。以气动人工肌肉-质量系统为实验对象,对其输入气压与气动肌肉收缩量之间的关系模型进行实验辨识研究。采用欠阻尼二阶系统来描述气动人工肌肉充气与排气过程的动态响应,并利用实验数据对模型参数进行辨识。最后基于辨识得到的模型进行气动人工肌肉的位置控制,实验结果验证了模型的有效性。     

气动人工肌肉的理想建模及仿真

分析并指出Chou所建气动人工肌肉理想模型存在的不足,建立了气动人工肌肉理想状态下的数学模型,并通过仿真说明所建立的理想模型比Chou所建立理想模型更接近于实验数据,为以后控制策略的选取以及实验研究打下基础.     

气动肌肉驱动仿生关节的理论分析

根据气动肌肉的简化模型,通过引入关节的刚度和力矩-压力系数等概念,建立了由一对对抗性气动肌肉驱动仿生关节的理论模型.研究了关节的刚度和位置独立控制时对气动肌肉输入压力的要求,并对气动肌肉驱动关节运动时的几种压力变化方式进行了分析.研究表明,两个气动肌肉的压力的不同变化方式对于关节动态的刚度、转矩有很大的影响.     

步态康复训练机器人行走步态仿真研究

步态康复训练机器人是对下肢行走障碍患者进行步态康复训练的一种助力康复设备,其行走步态的研究对于控制方案的制定有着重要意义.本文作者提出了步态康复训练机器人总体结构设计方案,利用Matlab/Simulink仿真环境下的机构系统模块集(SimMechanics)建立了步态康复训练机器人系统的仿真模型,并将斯坦福OpenSim下肢肌肉骨骼模型得到的下肢关节运动数据作为设定输入对机器人进行了运动仿真分析和研究,为下一步机器人样机制作和实际控制奠定了理论基础.     

气动人工肌肉驱动的双臂机器人及其协调控制研究进展

介绍了气动人工肌肉驱动器及双臂机器人的特点,阐述了气动人工肌肉驱动器及双臂机器人协调控制的研究现状和发展,探讨了气动人工肌肉驱动的双臂机器人应用前景和发展中存在的问题。     

反应式腹部触诊模拟装置气动系统的研究

根据诊断学中腹部触诊教学的要求,设计了一种新型的反应式腹部触诊模拟装置气动系统,研制了模拟装置的气动驱动器,设计了系统控制结构及控制算法,实验研究了模拟装置气动系统的控制特性和机械特性。结果表明:该系统能实现对气动驱动器内部压力及其硬度的控制,可模拟受训者进行腹部触诊时的感觉。该研究将为设计新型的具有反应式的临床教学装置提供依据和参考。     

气动人工肌肉研究与展望

气动人工肌肉是一种新型气动元件,主要应用于机器人技术中,它具有结构简单、易于小型化、柔顺性好、无污染、价格低廉、功率／重量比高及安装方便等优点。本文就气动人工肌肉的发展、分类及应用情况进行了阐述,并对气动人工肌肉的进一步的研究提出建议。     

约束边界条件对气动复合弹性体形变性能的影响

采用橡胶气囊和约束元件研制了一种新型伸长型气动人工肌肉。采用高分辨率CT机测试了肌肉内部气囊与约束边界接触变形,并利用静力学实验装置进行了不同类型约束环人工肌肉在气压驱动下变形对比实验,获得了不同约束边界条件对气动复合弹性体的形变性能影响规律。结果表明:自由约束边界大小决定人工肌肉的形变性能,圆环状约束边界明显高于圆柱状。其变形能力与约束环厚度成反比,与间隙成正比。在0.3 MPa气压下,圆环状约束环约束的肌肉轴向变形量比柱状约束环增加了51.9%;厚度为5 mm的约束环比厚度1 mm约束环轴向变形量减少了11.9%;间隙为1 mm约束环比无间隙轴向变形量增加了65.1%。     

气动人工肌肉的进展和应用

本文介绍了气动人工肌肉的产生背景，发展过程和Mickken人工肌肉的工作原理，概述了国内外气动人工肌肉的研究现状和一些应用实例。     

基于改进模型的气动肌肉神经网络串级控制

气动肌肉的理论模型是其控制器设计的基础。为了得到较完整的气动肌肉的理论模型,作者在Chou理想模型的基础上,综合考虑影响气动肌肉特性的主要因素,推导了气动肌肉收缩力-位移-气压三者之间的解析表达式,建立了相对简单而又较为完整的气动肌肉的改进静态数学模型。在此基础上,利用神经网络控制器的自适应与鲁棒性等优点,设计了一种针对气动肌肉驱动关节的神经网络PID串级控制器,该串级控制器采用内环气压控制器与外环位置控制器分别对气压与位置进行闭环控制,实验结果验证了该控制器的有效性。     

一种气动压力控制阀的仿真与实验

对一种气动压力控制阀进行了仿真和实验研究，为进一步的假海实验打下了基础，且所用的建模和仿真方法对复杂的变质量气动系统分析研究具有借鉴意义。     

气动技术与构型组合在机器人领域的应用

为解决类人型短小气动肌肉末端固定和无法同轴安装传感器的问题,影响气动机器人的精确建模和精确伺服控制,以及为了更加惟妙惟肖地采用气动元件进行仿生,以单关节、多关节气动肌肉、气缸构建基本构型的关节为基础,设计柔性冗余串、并、混联的仿人关节,单关节、多关节冗余气动肌肉与肌群结合的柔性机器人,单关节、多关节气缸并联构成的刚性机器人,气动肌肉、气缸与机构学结合组成的刚柔混合机器人,为气动机器人的设计提供新的思路。     

一种由气动肌肉驱动的关节模型研究

本文首先提出用一个变刚度弹簧模型来近似气动肌肉的特性，在此基础上，研究了由单根气动肌肉组成的最简单的一个关节模型，并通过实验验证了该模型，为进一步的应用打下了基础。     

Mckibben型气动人工肌肉

Mckibben型气动肌肉是一种使用比较广泛的气动人工肌肉，本文介绍了Mckibben型气动肌肉的起源，基本特性及由Mckibben型气动肌肉驱动的关节的特性，最后指出在使用Mckibben型气动肌肉时要注意的一些问题。