欠驱动康复外骨骼手的设计及试验

为了解决手部丧失运动能力患者的康复训练以及日常生活不便的问题,设计了欠驱动康复外骨骼手。研究了人手的生理结构,由关节间存在的耦合运动,设计了多连杆以及齿轮传动系统,实现欠驱动康复训练。利用解析法建立了单个手指的运动学模型,通过单个手指的运动学模型建立4指的拟合抓握模型,并进行了模拟仿真。建立样机并进行样机实验及运动学仿真,通过结果的对比分析,外骨骼手运动实现了预期的运动且运动合理、误差小。     

新型全驱动仿生手设计及触感研究

针对欠驱动仿生手精细操作性能差、触觉感知能力不足等问题,通过电磁换向及皮带传动的驱动方式,设计出一种新型双向全驱动仿生手。采用单个电机驱动方式,实现了对5指仿生手15个手指关节正反双向独立驱动,并加工制作了实验样机。通过采用单路电流与多路角度传感器的联合使用,实现了对手指关节角度的准确控制;同时,通过对角度传感器与驱动电流进行数据采集和匹配处理,建立了电流幅值变化与关节力、电流变化率与软硬度的数学模型,丰富了仿生手触觉感知能力。搭建平台对仿生手的抓取能力进行了测试,结果表明,在电流与角度传感器配合使用下,仿生手具有良好的抓取特性;其双向独立驱动模式提升了仿生手的抓取效率。     

欠驱动柔性机器人的动力学建模与耦合特性

运用有限元法,建立具有柔性杆的欠驱动机器人的动力学一般模型。以此模型为基础,分析系统的主动与被动关节的加速度耦合和被动关节与驱动力矩的动力学耦合效应,并针对欠驱动柔性机器人,提出柔性杆弹性变形分别与主动关节、被动关节动力学耦合的新指标。将欠驱动柔性机器人的被动关节加速度耦合和力矩耦合仿真结果与刚性系统相比较,在某个驱动器位置,柔性系统得到较大的耦合值,说明此时柔性系统更加有利于能量的传递,体现了杆件的弹性变形对系统动力学特性的影响。同时,数值仿真还表明这些动力学耦合指标对欠驱动机器人的结构设计、位形设计、驱动装置位置及系统控制都具有重要意义。     

一种SMA驱动的新型仿生手

采用独立化设计方法,将仿生手分为控制模块、手指模块、散热模块并进行单独设计,制作了集成化的仿生手,可以快捷地实现模块化手指的分离与组装。采用形状记忆合金丝作为驱动器,设计了可以实现驱动位移放大的凸轮结构,使S M A在驱动过程中的有效输出位移得到有效放大。在Matlab中对仿生手进行了运动空间仿真,并通过3 D打印制作了总质量为410 g的仿生手样机。采用温度反馈方式,提高了仿生手在不同温度环境中的响应能力以及对SMA的温度保护,对日常生活物品进行了抓取实验验证。结果表明,新型仿生手具有较大的抓取尺寸和抓取重量,具有拆装方便、控制简单、抓取稳定的优点,实现了控制与驱动的高度集成。     

气动柔性机械手手指运动学研究

气动柔性五指机械手手指由自制的两种柔性关节通过连接盘串联组成。根据关节变形规律,在手指上选取特征点,通过齐次坐标变换建立了机械手手指的运动学模型。在柔性关节静力学实验的基础上,进行了柔性手指的运动学仿真,获得了机械手手指的工作空间。仿真结果表明,该柔性机械手具有较好的灵活性和较大的工作空间,通过手指间的协同配合可以完成抓、握和夹等动作。     

仿人型残疾人假手机构的研究

采用欠驱动原理和耦合原理研制了具有感知功能的集成化多自由度的假手,该手尺寸与成年人手相仿,具有抓握物体自适应能力,能够完成力量抓握和精确抓握。采用数学建模的方法设计了手指的四连杆机构,并进行了参数优化设计及静力学和运动学分析。     

仿人手指的运动学分析与研究

设计了一种具有独立电机驱动、采用钢丝绳耦合连杆机构传动的多自由度仿人手指,并建立了手指机构的简化模型。同时,基于运动学分析得到了手指运动学模型正解,选取适当手指机构尺寸及各关节的转角范围,通过仿真获得了指端的工作空间。分析比较了有无耦合连杆2种手指各指节的运动位移与时间之间的关系,采用的耦合连杆传动,克服了无连杆传动过程中3个指节间在各个方向上的运动位移明显不一致性。为假手的抓取动作规划、运动姿态控制以及结构优化设计提供了进一步研究的基础。     

空间刚柔耦合并联机器人动力学建模及仿真

为研究柔性构件对系统运动特性的影响,对空间3-RRRU并联机器人进行了动力学建模及耦合特性的仿真分析。应用矢量闭环法对空间并联机构的逆运动学进行求解,推导出各个构件位置、速度、加速度的变化规律;根据第一类Lagrange方程建立空间全刚性并联机器人的逆动力学模型;运用MATLAB软件对空间并联机构进行仿真,并对动力学数值结果和仿真结果进行对比,以验证模型的正确性。基于ANSYS软件和ADAMS软件,对空间并联机构中的空间梁单元进行柔性替换,通过建立空间刚柔耦合并联机器人模型,分析机构在运动状态下展现出的耦合特性,并与空间全刚性并联机器人进行比较。结果表明:两类模型的末端执行器的运动趋势一致,轨迹误差在0.000 7～0.419 4 mm范围内;梁单元产生的弹性变形对系统运动性能产生了重要影响,因此,建立正确的刚柔耦合动力学模型具有重要的指导意义。     

残疾人假手的仿人和欠驱动机构研究

根据欠驱动和耦合原理研制出了仿人型残疾人假手,该手结构简单,质量轻,高度集成化,与成年人手的大小相仿,用Matlab软件优化设计了手指各杆件参数,同时进行了运动学分析.该假手对不同物体抓取具有自适应性,能进行力量抓取和精确抓取.     

基于sEMG和肌肉骨骼模型的手指多关节力矩耦合分析

手指内部力矩受表面肌电信号、肌力、手部姿态等因素影响而无法直接获取,为了实时且准确地获取手指各关节力矩以及耦合力矩并应用于手部康复机器人的交互控制中,提出了一种基于表面肌电信号和肌肉骨骼模型的手指多关节力矩和耦合力矩分析与实时获取方法。首先设计了自适应手指关节角度采集系统,通过实验同步采集指浅屈肌与指伸肌的肌电信号以及手指各关节的角度数据,建立手指多关节力矩模型,从而获取手指各关节力矩。然后建立手指D-H模型,结合虚功原理获取手指的耦合力矩。最后,辨识了手指多关节力矩模型的参数,并通过OpenSim软件获取了仿真力矩。计算力矩与仿真力矩的对比结果显示：4名被试3个关节力矩的均方根误差分别为0.156 7、0.097 425、0.084 95,证明了该方法能够实时并准确的获取手指各关节力矩和耦合力矩,能够满足手部康复机器人交互控制准确性和实时性的需求。     

残疾人用假手的机构研究

分析了人手的结构和抓物方式,根据欠驱动和耦合原理研制了仿人型残疾人假手,该手尺寸和成年人手大小相仿,且结构简单,重量轻,高度集成化.利用Matlab软件优化设计了手指各杆件参数,进行了运动学分析.实验证明:该假手具有很好的抓取自适应性,能进行力量抓取和精确抓取.     

柔性气动连续体机器人关节结构设计与运动学分析

基于气动人工肌肉和缆绳组合驱动,提出了一种三自由柔性气动连续体机器人关节,该关节具有结构紧凑、柔顺性高、控制简单等特点。通过分析该机器人关节结构特性,采用修正的D-H法,建立了其正反解运动学模型,求解了其位置运动学解和速度运动学解,通过仿真验证了关节结构的合理性和运动学方程的正确性。     

柔性欠驱动机械臂动力学耦合分析

为建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学方程,采用Euler-Bernoulli梁模型并添加经迭代计算的边界条件,对柔性机械臂进行了动力学耦合与仿真分析。在对柔性机械臂进行模态分析的基础上,将柔性机械臂视为包含边界条件的悬臂梁和简支-自由梁模型,采用假设模态法建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学模型。仿真结果证明：添加经迭代计算的边界条件的柔性梁模型能更好地反映自由关节的加速度耦合情况。最后对柔性欠驱动机械臂与刚性欠驱动机械臂进行关节耦合指标分析,结果表明柔性欠驱动机械臂的自由关节包含更复杂的耦合情况,对柔性机械臂弹性振动的控制是对柔性欠驱动机械臂控制的关键。     

3-DOF索杆桁架式欠驱动机械手运动控制

索杆桁架式机械手是将绳轮传动系统和平行四边形机构结合而提出的一种新型欠驱动机械手。绳索驱动力同时驱动手指关节耦合运动,而手指关节运动又会直接改变绳拉力在各指节单元的驱动力分布,导致索杆桁架式欠驱动系统具有强非线性和运动耦合特点。针对该问题,利用虚功原理,将绳轮传动系统等效为耦合的关节驱动力矩,并建立3-DOF手指准静态运动学模型。根据手指最大运动空间约束条件,确定关节弹簧配置分布并开展手指准静态运动空间分析。采用拉格朗日方程法建立手指一般动力学方程,并转换为"A-P"型等效动力学模型。在此基础上,开展预变形阶段运动控制研究。通过仿真分析和样机试验验证所提分析方法和运动控制策略的有效性。     

平面3-■RR刚柔耦合并联机器人逆动力学研究

以平面3-■RR刚柔耦合并联机器人为研究对象,研究了其逆动力学模型和数值迭代求解算法。以绝对节点坐标法描述并联机器人中的柔性梁单元,并以自然坐标法描述其他刚性构件,基于拉格朗日原理构建了刚柔耦合系统的逆动力学模型。采用了缩减积分的方法来分割应变能以规避泊松闭锁问题,应用不变矩阵来提高求解运算速度。以S-型加减速圆周轨迹为算例,结合generalized-Alpha法与牛顿迭代法来求解并联机器人的逆动力学模型。试验迭代结果满足设定精度要求,所求柔性梁中点处最大横向变形为4.701 mm,其剪切角的变化规律具有对称性,驱动关节角速度与理想刚性模型相比变化明显,驱动关节变量的变化规律比较平滑,由此验证了建模方法、求解算法的正确性和使用S-型加减速的必要性,对将来控制具有重要的理论意义。     

柔性空间扑翼机构的刚柔耦合动力特性分析

针对目前扑翼驱动机构无法以简单结构实现复杂仿生运动问题,由空间四杆机构出发,引入柔性杆件设计思路,设计了一种柔性空间扑翼驱动机构。在单驱动条件下,实现了翅翼的扑动-扭转-挥摆耦合运动。建立了机构的运动学和气动力计算模型,求解了机构在运动过程中扑动角、扭转角、挥摆角以及翅翼所受的气动力变化。根据机构特性,在Adams中建立了考虑动力学特性与机构强度的刚柔耦合模型,分析了机构的运动轨迹、运动特性及柔性杆件的应力变化情况。结果表明,该驱动机构具有运动对称性与稳定性,翅翼实现了扑动-扭转-挥摆的耦合仿生运动,同时又满足了柔性机构的强度设计要求。     

肌电信号控制仿生手的研究

研究的目标是利用肌电信号实时控制仿生手的运动。使用所设计的系统，实现了肌电信号采集、处理和对所设计的仿生手的控制。通过试验验证了肌电信号的统计特性，用不同操作者的不同肌肉来控制和训练仿生手抓物体，试验结果表明仿生手的失误率小于0．5％。     

仿肌腱式线驱柔性手指康复机器人设计与制备

当今社会人口老龄化严重,由疾病、意外伤害等因素引发的手部复健需求日益增加,为此提出一种运用CMF要素的仿肌腱式线驱动手指康复机器人结构。通过对人类肌肉骨骼系统的仿生分析,设计了基于线驱动的柔性手指康复机器人结构模型,采用3D打印模具及硅胶浇筑方式制备了柔性手指康复机器人本体,其具有优异的抗撕裂性、高抗拉强度等优势,且成本低,便于清洗,穿戴舒适度好。     

关节独立五指灵巧手指的耦合运动规划

利用超声电机低速和大转矩的特性设计了由其驱动的五指灵巧手,传动方式采用的是腱传动方式,每个手指均有4个自由度和4个关节,即其手指具有相互独立的关节,从而可以使手指末端两个关节的运动完全依照人手的二次运动方程耦合关系进行运动规划。然而这种关节运动耦合关系会导致在求运动学反解时某些关节角得不到解析解,于是采用数值迭代法,获得了相应的数值解;进而获得了灵巧手的单指运动空间,并通过ADAMS仿真验证了算法的正确性。     

五自由度钢丝绳传动机器人结构分析与运动学仿真

对一种通过钢丝绳传动的五自由度柔性驱动机器人进行结构设计与分析,建立D-H坐标参数模型,进行正运动学分析计算。并用MATLAB中的机器人工具箱Robotics Toolbox进行运动学仿真实验,对正运动学计算进行了验证。实验表明,柔性驱动方式在机器人结构设计中具有可行性和优越性。用Robotics Toolbox在机器人运动学分析仿真中可以方便、快捷、准确地获得机器人的参数模型和运动学计算结果。