单自由度可调下肢康复机器人机构优化设计

为帮助下肢功能障碍患者完成步态康复训练,设计了一种新型下肢康复机器人机构,提出了机构尺度优化综合方法.首先,以一个两自由度平面五杆机构为基本机构,通过逆运动学分析建立五杆机构两个输入之间的函数关系,并以曲柄匀速转动为优化目标进行机构尺度综合;然后,在此机构的基础上引入一凸轮-连杆函数生成机构,通过逆运动学分析与机构尺度综合求解并优化凸轮廓线,实现了五杆机构两个输入之间的函数关系,并减少了机构自由度;最后,在此基础上引入一缩放机构,实现机构轨迹可调.以运动捕捉实验获取的正常人体步态轨迹为目标轨迹,进行机构优化设计,结果表明:优化所得机构在匀速电机驱动下能够很好地模拟正常人体步态轨迹与髋、膝关节运动规律,从而验证了机构与优化方法的有效性.     

基于单自由度Watt机构的拟人步态下肢康复机器人设计

针对目前大多数下肢康复机器人结构复杂、造价高昂、控制不便等问题,文章优化设计出一款Watt-I型六杆机构式单自由度拟人步态下肢康复机构。对下肢康复机构进行尺度优化设计,以正常步态轨迹为目标轨迹对Watt-I型六杆机构进行轨迹综合,得到机构尺寸;对下肢康复机构进行轻量化设计,在SolidWorks中建立其三维模型,并导入到ANSYS Workbench中进行拓扑优化,得到优化后的简化模型;采用响应面方法对连杆板厚及边长等参数进行优化设计;基于优化后的机构对下肢康复机器人进行结构设计,给出三维模型。结果表明：该机构能很好地复现正常步态轨迹,目标轨迹点与对应机构轨迹点之间的平均位置误差仅为7.76 mm;在满足材料强度的条件下,轻量化后的六杆机构质量减少32.66%。该下肢康复机器人仅需一个匀速驱动即可为下肢运动障碍患者进行步行康复训练,具有普惠性。     

平面并联机构正解的拥挤差分进化算法求解

平面并联机构正运动学分析需要求解非线性方程组,多解的特点使得难以同时得到它的全部解。本文将该非线性方程组求解问题转化为非线性优化问题,并利用拥挤差分进化算法进行求解。仿真结果表明,拥挤差分进化算法对选择机制的改进增加了种群的多样性,可以同时得到并联机构运动学正解问题的全部解。     

下肢外骨骼矫形器运动学分析

基于减重步行训练原理,研究下肢外骨骼矫形器康复系统.针对下肢康复训练机器人不存在固定基座,利用常规的方法进行运动学分析较困难的问题,引入参考坐标系的坐标变换矩阵,建立下肢康复训练机器人运动学模型,推导出步行训练机器人正逆运动学公式.最后规划步态轨迹,利用ADAMS软件进行运动学仿真和双腿外骨骼矫形器样机试验,验证了运动学模型及其推导公式的正确性.     

一种新型下肢康复机器人的机构设计与分析

针对缺少在社区与家庭中使用的康复机器人的现状,提出一种新型下肢康复机器人设计方案.首先,根据患者康复训练需求完成了机器人的机构设计,建立了机器人的三维模型并介绍了其具体结构;其次,在矢状面内建立人-机模型并对机构进行运动学分析,对精确实现踝关节规划轨迹的控制规律进行了仿真分析;最后,基于样机进行了多位姿试验.试验结果表明:机器人能够实现"坐-卧-站"多位姿康复训练,该机器人设计方案具有可行性,能够为不同康复期的下肢偏瘫患者提供针对性的康复训练轨迹,有助于偏瘫患者康复训练.     

基于NSGA-Ⅱ算法的康复机器人减重单元的优化设计

下肢运动障碍患者康复训练治疗手段之一是减重步行训练,移动式下肢康复训练机器人既可以跟随保护患者,又可以对其进行减重步态训练。针对机器人核心部件之一的减重单元,本研究提出一种启发式设计算法,可以避免机构本身复杂因素所带来的结构优化困难,获得多目标的优化解集。通过带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）在多目标优化问题中确定减重单元的设计参数。实验验证表明,减重单元体积减小明显,使结构更加紧凑。     

可移动式柔索驱动下肢康复机器人设计及分析

为了帮助下肢功能障碍患者开展康复训练,设计了一种可移动式柔索驱动下肢康复机器人.通过对小腿进行位姿控制和负载力控制,协助不同康复阶段的患者开展以任务为导向的被动、助力和主动模式的康复训练.在进行运动学建模、静力学建模及工作空间分析基础上,对机器人的构型进行分析和优化,并通过仿真验证了运动学模型的准确性.最后,使用基于2-范数的柔索拉力优化算法得出连续的柔索拉力.     

下肢康复训练机器人的重心轨迹控制研究

通过从理论上建立人行走时重心轨迹运动学模型，设计了一种基于下肢康复训练机器人的重心轨迹控制系统，并对此重心轨迹控制系统进行了机构运动学仿真．对机构所能得到的模拟重心轨迹与理论得到的重心轨迹进行了对比分析，为重心控制系统的最优化设计提供理论依据．     

下肢外骨骼康复机器人人机交互力自适应导纳控制

对于下肢具有残余肌力的下肢瘫痪病人,基于标准步态轨迹被动训练的康复方案无法满足锻炼肌肉的康复训练需求,为此提出了一种人机交互力自适应控制的下肢外骨骼康复机器人控制策略,并设计了可实现康复训练的控制方法。该方法以健康人体行走步态为下肢外骨骼康复机器人的位置控制参考,以穿戴者的自身腿部用力作为力控制约束,根据穿戴者自身腿部力量大小,智能控制和调整步态曲线,以更加适应穿戴者的康复训练需求。仿真试验结果表明,相对于完全被动的康复训练模式,自适应力控制模式能够有效地调整康复过程中人机交互力,可以适应多种不同的康复训练需求,从而大大提高受损患肢运动功能恢复的康复治疗进程,具有实际的应用价值。     

基于复合摆线的下肢假肢步态规划及运动仿真

摘 要 针对现有假肢产品步态质量不佳的问题,结合四连杆机构和磁流变阻尼器设计了一种磁流变阻尼下肢假肢。基于复合摆线理论对下肢假肢进行了步态规划,并对所得轨迹曲线进行了优化。通过对轨迹曲线的逆运动学求解,得到了下肢假肢的膝关节和髋关节曲线。为验证关节曲线和下肢假肢结构设计的合理性,采用SolidWorks Motion对下肢假肢进行了运动仿真吧,并且利用关节电机进行轨迹跟随实验。结果表明,在关节曲线的驱动下,下肢假肢能够实现连续稳定的行走,具有良好的步态特性。     

一种下肢康复机器人机构及匀速训练方法的研究

针对下肢具有功能障碍的偏瘫或残疾患者,文章研制了基于五杆并联机构的新型坐式下肢康复机器人,建立了患者下肢与康复训练机构的人-机参数化模型,并利用闭环矢量法对模型进行运动学正、逆分析,推导出其运动学方程。根据运动学分析并利用Matlab进行编程,分段拟合得到匀速训练下曲柄角速度与时间的函数,并在Pro/E软件中进行验证,仿真数据表明该函数和运动学分析结果是正确的。     

机械臂逆运动学避障最优求解算法

针对多自由度机械臂在障碍物环境下逆运动学求解存在多解性和碰撞问题,研究了一种将碰撞检测算法、最短行程方法与差分进化算法相结合的具有避障能力的机械臂逆运动学最优求解算法。首先,以六自由度机械臂为研究对象,对机械臂和障碍物进行建模,并建立求逆运动学解的目标函数,目标函数由末端执行器位姿误差函数、目标角度与初始角度之间的变化量函数、碰撞检测函数加权求和组成;其次,利用差分进化算法对目标函数进行最优求解,为了减小函数权重对求解速度和精度的影响,设计了一种自适应权重优化算法,使得求解关节角度在优化求解初期快速达到最短行程位姿角度附近,而在优化求解后期具有更高的的求解精度,即可求得具有避障能力、行程最短且高精度的最优逆运动学解;最后,以UR5机械臂为例,通过MATLAB软件中的Robotics Toolbox工具箱对算法进行仿真验证,验证了算法的有效性。     

最优化问题的蚁群混合差分进化算法研究

 在最优化问题求解中,针对采用混合差分进化算法中突变运算的不同选择产生结果存在较大差异,同时提高算法收敛速度与避免早熟,提出在混合差分进化法中,使用蚁群算法进行选择适当的突变运算,加速搜寻全局解,并通过中国旅行商问题的求解表明其有效性。     

面向可靠性冗余优化的自适应差分进化算法

针对可靠性冗余优化问题中解的精度低及算法早熟收敛的问题,提出一种自适应的差分进化算法.该算法在原始差分进化算法的基础上修改了变异算子和交叉算子;在进化过程中,缩放因子F和交叉概率CR分别由三角函数实现自适应调节,以提高可行解的多样性及算法的收敛速度.解决了可靠性冗余优化问题解的精度低及早熟收敛问题.实验结果表明,该算法在解决可靠性冗余优化问题上不仅提高了解的精度,且具有更好的稳定性及更快的收敛速度.     

四自由度高速并联机器人的研究

综合新型四自由度并联机构的实际约束条件,建立了新型机构的运动学分析模型,求取了机构位置反解的显式解,建立了位置正解的Newton-Raphson数值迭代算法,优化了机构的尺度参数.针对我国食品生产与包装的实际需求,基于新型并联机构和机器视觉等先进技术,构建了面向食品生产与包装的自动高速并联机器人分拣系统.     

下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析

采用电机驱动方式,设计一种用于辅助行走和康复训练的人体下肢外骨骼康复装置.将下肢外骨骼简化为矢状面内的五杆机构,建立相应的D-H(Denavit-Hartenberg)模型,推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程.在ADAMS环境下,对下肢外骨骼进行运动学仿真分析,所得到的髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线表明:下肢外骨骼各关节在空间中具有连续的运动轨迹.     

运用改进差分进化算法辨识Hammerstein模型

针对非线性系统Hammerstein模型,利用差分进化算法对非线性模型进行参数辨识,将非线性系统的辨识问题转化为参数空间上的函数优化问题。为了增强差分进化算法的辨识性能,采用一种自适应变异差分进化算法,即引入一个自适应变异率,随着迭代的进行自适应调整缩放因子,从而在初期保持种群多样性避免早熟;在后期逐步降低变异率,保留优良信息,避免最优解遭到破坏。最后通过仿真对比实验表明,改进的差分进化算法比基本差分进化算法精度更高、非线性辨识能力更强。     

高加速度的柔性3-RRR并联机构尺度综合设计

该文以设计高加速度的平面柔性3-RRR机构为目的,研究一种平面3-RRR并联机构的尺度综合设计方法.建立机构的运动学逆解方程、速度和加速度传递方程以及动力学逆解模型.根据机构的特点,给定末端速度和加速度曲线,分析机构输入和输出加速度与设计参数之间的关系,提出兼顾最大加速度和作业空间要求的并联机床尺度综合设计方法,并通过具体的设计计算,证明该方法可行.最终给出一组满足速度、加速度以及工作空间要求的尺寸参数.     

移动式康复训练机器人及下肢康复运动分析

提出了一种融合轮椅助行与康复训练为一体的移动式康复训练机器人的设计,该机器人除可实现坐、卧、站、助行等基本功能外,还兼具下肢康复训练能力.首先对移动式康复训练机器人的结构原理进行了介绍,其次针对机器人坐姿状态下的下肢康复机构进行了运动学建模.针对坐姿状态下下肢训练机构关节空间与训练空间的广义坐标不同,建立了下肢训练机构训练空间与关节空间的映射关系模型.最后基于所设计的下肢训练机构,对其可实现的典型训练模式进行了规划分析,证明了本研究中下肢康复机构设计的有效性.     

立面1R2T三自由度绳牵引并联机构的速度、加速度运动学分析

设计了立面1R2T三自由度绳牵引并联机构的模型.在竖直平面上对末端执行器模型进行了速度、加速度运动学分析,包括速度、加速度运动学逆解.用力矩平衡法确定其质心位置,对位姿运动学模型进行了一阶、二阶求导,得出了运动学速度、加速度逆解模型.根据封闭矢量三角形法则,求出了速度运动学逆解模型,给出了运动学速度逆解Jacobian矩阵.在规划的椭圆轨迹下,采用Simulink仿真软件进行了末端执行器质心的速度、加速度和绳速度变化规律的仿真,并搭建了控制系统的硬件设备.研究表明,在所规划椭圆轨迹下,所有绳速度、加速度的变化是连续的且求解速度、加速度逆解的算法正确、通用.