Human–robot cooperation control based on a dynamic model of an upper limb exoskeleton for human power amplification

In this paper, we propose a human–robot cooperation controller for the motion of the upper limb exoskeleton. The system permits three degrees of freedom using an electrical actuator that is mainly controlled by force sensor signals. These signals are used to generate the torque required to drive the exoskeleton. However, singularities exist when the force signals in the Cartesian coordinate system are transformed into torques in the joint coordinate system. Therefore, we apply the damped least squares method. When handling a load, torque compensation is required about its mass. Therefore, we installed a force sensor at the point of the robot’s end-effector. It measures the forces between the exoskeleton and the load. Then, these forces are used to compensate within a static model for handling loads. We performed control stability and load handling experiments to verify the effectiveness of the controller. Via these, we confirmed the effectiveness of the proposed controller.     

Three-dimensional visualization of insect morphology using confocal laser scanning microscopy

Cuticular structures of insects are often microscopic and intricately complex; among the most complex structures are male genitalia. Genitalic structures are essential in taxonomic and phylogenetic studies of insects. Using well‐described species from two disparate dipteran genera, we demonstrate the utility of confocal laser scanning microscopy for studying the morphological characters of fly genitalia by taking advantage of the autofluorescent properties of cuticle material. Reconstructions of confocal data sets obtained from genitalic structures embedded in two commonly used entomological mounting media (euparal and glycerin jelly) are presented. Aberration artefacts often observed in confocal data obtained from thick specimens were analysed and strategies for their minimization are discussed. Our results indicate that confocal laser scanning microscopy and 3D reconstruction are excellent techniques for visualizing small, complex, autofluorescent structures in flies. These techniques could have a profound impact on the quality of information provided by 3D representations of insect structures over more traditional methods of visualization.     

下肢外骨骼康复机器人轨迹跟踪控制

为帮助下肢运动障碍患者进行康复训练,提出一种基于盘式电机的下肢外骨骼康复机器人控制。依据拉 格朗日方法,建立外骨骼机器人动力学模型,利用扩张状态观测器估计系统未建模部分和外部总扰动,采用自抗扰 控制方法(active disturbance rejection control,ADRC)对其进行消除,并通过Matlab 仿真实验进行验证。仿真结果表 明：与传统的PID 控制相比,ADRC 跟踪稳定且具有更好的抗干扰能力,跟踪误差更小。     

主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人的设计与效能评估

针对上肢外骨骼机器人对使用者腰背产生过重负荷的问题,设计了一种主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人,利用无源下肢外骨骼来承担部分负荷。基于助力外骨骼应用场景和人体结构特征分析,建立外骨骼机器人的机械结构模型,完成运动学仿真分析,验证了模型的合理性。为解决外骨骼机器人效能评估问题,提出一种模糊综合评估模型,详细介绍了外骨骼机器人的效能评估方法,评估结果为性能良好。研制外骨骼机器人样机,搭建总体控制系统,开展助力性能和负重性能测试实验。实验结果表明,所设计的上下肢一体化助力外骨骼机器人可承受20 kg的负载且对穿戴者提供一定的助力效果。所提出的模糊综合评估模型,为外骨骼机器人的优化设计提供了方向和理论依据。     

上肢康复外骨骼智能控制综述

外骨骼的应用有望缓解我国康复医疗资源面临着的巨大压力。康复外骨骼应用的关键在于保证康复体验的安全、有效和舒适,而智能控制技术是回应这些需求的有效手段。本文基于智能控制系统的分层递阶结构,总结了近年来上肢康复外骨骼智能控制系统中各层级控制器的研究现状。主要包括上层控制器中的运动意图识别、中层控制器中的运动轨迹规划以及底层...     

液压驱动型负重外骨骼机器人液压系统设计

从人体运动特征出发,分析了液压驱动负重外骨骼机器人的整体骨架结构。根据负重外骨骼机器人的特点要求设计了一套完整的液压传动系统,对液压系统中液压泵、伺服阀和液压缸等主要元件进行了选型计算。利用Simhydraulics软件建立了负重外骨骼机器人液压系统仿真原理图,并对液压系统进行了仿真分析研究,由仿真结果证明了所设计液压系统的合理性。最后对液压驱动型负重外骨骼机器人技术面临的挑战进行了分析,为该液压系统的深化设计提供了参考。     

携行式外骨骼机械结构应力测试试验研究

以携行式外骨骼为研究对象,使用Ansys软件,建立机械结构的有限元模型,采用自由度耦合方法,对铰点位置进行处理,计算获得其应力结果。使用静态电阻应变仪,对物理样机进行应力测试。实验结果表明,实际测试得到的应力结果与有限元计算结果的吻合性良好,所得数据真实可信,可为携行式外骨骼机械结构的应力测试提供一种实际应用的方法,为后续研究工作奠定基础。     

外骨骼负重机器人液压缸的设计

首先介绍了外骨骼负重机器人的基本组成和工作原理.然后利用动力学仿真软件ADAMS建立外骨骼机器人的虚拟样机,并进行动力学仿真,获得了行走过程中膝关节的驱动力矩.最后根据仿真结果对外骨骼负重机器人驱动系统的驱动器液压缸进行设计.     

一种串联式三自由度髋关节机构的设计与分析

分析了人体髋关节运动规律和运动形式,提出了一种串联式三自由度外骨骼机器人髋关节机械结构。外骨骼机器人髋关节屈/伸主"迈腿"运动采用平面四杆机构来实现其大范围的运动,并利用矢量分析法分析了液压缸输出位移、速度、加速度与屈/伸运动的角度、加速度、角加速度的关系,应用Ds Solid Works软件自带的Solid Works Motion运动仿真插件对其进行仿真分析,得出其关系线图,为外骨骼机器人髋关节设机械结构计提供一定的设计依据。     

下肢外骨骼行走康复机器人研究与设计

外骨骼机器人是一种可穿戴在操作者身体外部的一种机械装置,提供保护、身体支撑和运动等功能。文中设计了一种外骨骼行走康复机器人,该外骨骼康复机器人单下肢具有3个自由度,利用较少却必须的自由度来实现行走,降低了机构的复杂程度,提高了装置的效率,借助此外骨骼辅助患者摆脱轮椅站立起来并行走,通过采集拐杖与地面的接触信息来控制膝关节和髋关节的屈伸运动,从而帮助患者实现跨步。