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.     

欠驱动式外骨骼手指康复机器人的设计和仿真

本文提出一种新的基于脑电信号控制的外骨骼手指康复机器人系统,该系统主要由外骨骼手指康复机器人、脑电信号系统(EEG)、肌电信号系统(EMG)、人机交互系统、电机控制单元、相关传感器和工作站组成.患者通过外界的视觉刺激产生脑电信号,工作站经过对这些信号采集和处理后传递给电机控制单元控制,并驱动电机实现穿戴在患者手上的外骨骼手指机器人运动,辅助其完成康复训练.该机器人主要采用欠驱动的方式,由安装在手背处的电机带动同步齿形带传动机构实现机器的三个关节的弯曲和伸展运动.文章主要利用UG软件对手指机器人进行设计和ADAMS软件进行运动仿真.根据机器人运动轨迹和机器人末端的运动参数曲线可以看出该手指机器人具有运动平稳,不存在运动死点等特点,且机器人能满足人体手指的运动要求,符合人体工学的设计特点,仿真实验证明能够辅助患者进行重复性康复训练.     

柔索驱动混联机器人的结构设计与研究

文章针对传统串联机器人转动惯量大、刚度小等问题提出并设计了一款柔索驱动混联机器人。利用共轴球面并联机构通过走线设计将驱动单元安装在基座实现柔索驱动,模块化设计实现串、并联机器人的构型;然后根据机械结构和运动特性,利用SD-H法和矢量法对混联机器人进行运动学建模并分析验证;仿真实验采用B样条曲线进行轨迹规划,研究机器人关节柔顺性。实验结果表明,柔索驱动混联机器人具有较小的转动惯量、较好的柔顺性和较大的刚度。     

前庭康复6-PSS并联机器人设计与ADAMS仿真

前庭功能损伤是运动功能障碍患者的一个主要病因.为帮助前庭障碍患者进行科学有效的康复训练,基于Stewart机构,设计了一种新型的直线电机驱动的前庭康复6-PSS并联机器人.建立了机器人运动学模型和拉格朗日方程动力学模型,求取了机器人运动学逆解.建立了机器人的ADAMS虚拟样机并开展仿真研究,仿真结果表明,机器人动平台最大加速度为1.2 m/s2,可有效刺激患者的前庭觉,进行前庭障碍患者康复训练内容.     

双臂巡检机器人沿输电线路行走特性研究

传统双臂巡检机器人沿大跨度输电线路行走过程中存在行走轮受力不均、易脱线等问题.针对这些问题,分别建立了传统双臂巡检机器人和带柔索双臂巡检机器人行走轮受力模型,对比分析表明:与传统双臂巡检机器人相比,随着线路倾斜角度增大,带柔索双臂巡检机器人两臂行走轮受力较均匀,不会出现脱线现象.在相同质量参数和结构参数条件下,采用虚拟样机技术分析了2种类型机器人沿输电线路行走时行走轮受力情况,仿真结果表明,传统双臂巡检机器人在线路倾斜角度达到28°时,出现单臂挂线现象;而带柔索双臂巡检机器人在线路倾斜角度达到37°时,仍能保持稳定地双臂挂线.综合分析表明,带柔索双臂巡检机器人的结构设计在线路行走方面具有明显优势,对于倾斜角较大的大跨度输电线路具有更强的适应能力,行走稳定性更好.      

带柔索双臂巡检机器人运动学建模与仿真

为研究带柔索双臂巡检机器人越障过程中手臂与箱体的运动规律,采用D-H参数法建立了机器人基本越障动作的连杆坐标系,推导出了机器人运动学方程;以机器人蠕动越障过程为例,结合相关约束条件分析计算了越障过程不同阶段具体的运动学方程.通计算机仿真分析,给出了双臂行走轮以及箱体的坐标变化曲线,仿真结果表明越障过程中机器人姿态变化稳定,各个驱动关节运动比较平稳,证明带柔索双臂巡检机器人的结构设计较为合理.     

复演对指运动的康复机械手机构学探讨

以连续被动运动(continuous passivemotion,CPM)康复理论为基础,设计一种可以完成对指运动的手指康复训练机械手.在分析人体手指结构及运动特点的基础上,通过动态运动捕捉系统采集手指末端运动轨迹参数,并结合图谱法进行手指康复训练机器人机构的尺度综合.最后,通过Simulink仿真实验验证了其可行性.     

多段连续结构的外骨骼手指功能康复机器人

针对现在手部功能康复机器人存在的不足,如刚性结构带来的机构复杂、质量大,运动过程中难以保证刚性连杆的转动中心与关节中心时刻对准而带来的安全问题,以及软体气动-液压结构存在的气压源-液压源体积质量大导致的便携性差等问题,提出了一种新型的由单层弹簧片驱动的多段连续结构的外骨骼手指功能康复机器人,以协助患者进行双向的屈曲、伸展运动。该结构具有良好的柔顺性,使得人手与外骨骼机器人之间的相互作用更加安全,设计的机构可以将线性运动转化为手指关节的旋转运动,通过单个电机输入即可协助患者在足够大的运动范围内进行康复训练。对该外骨骼机器人的特性测量实验表明,该外骨骼可以协助患者在一定角度范围内进行手指的屈曲和伸展运动,并能够在指尖产生足够的指尖力。提出的设计对其他的康复机器人有一定的参考作用,具备工程使用价值。     

气动人工肌肉驱动仿人肩关节机器人的设计及力学性能分析

柔索驱动球关节机器人采用柔索替代连杆作为机器人的传动元件,结合了并联机构和柔索传动的优点. 文中提出了一种新型带有万向球轴承的仿人肩关节并联机器人,它由多支气动人工肌肉驱动,由于万向球驱动机构的引入,机器人可实现空间的三维转动. 介绍了该机器人的机构构型,并对其进行了力学性能分析. 该机器人的运动范围及负重能力达到并超过了人体肩关节性能指标的1/2. 相比其他并联机器人,该设计具有结构简单、旋转范围大、输出力矩大等特点.      

双臂巡检机器人位姿变化下沿悬链线行走能力分析

为解决双臂巡检机器人沿输电线行走过程中存在的行走轮受力不均,易打滑脱线等问题,提出一种移动关节主动调节方法.分别建立了传统的双臂巡检机器人、带柔索双臂巡检机器人和带移动关节双臂巡检机器人行走轮受力模型,对比分析发现:机器人在最佳位姿状态下,受力情况最好,不易发生打滑问题.建立了巡检机器人关节变化的动力学模型并设计主动控制器,对机器人行走越障和沿线行走两种工况进行了仿真模拟.所设计的控制器能够协助机器人完成大坡度巡航与行走越障工作,并能够有效抑制关节振荡问题,缩短响应时间.最后开展了机器人行走越障与不同坡度行走实验,表明所设计的控制器能够辅助机器人完成巡检任务,有效抑制了行走打滑问题.     

基于柔性关节的下肢康复机器人设计与分析

结合国内外现有的下肢康复产品及研究成果,研制了具有柔性关节的坐/卧式下肢康复机器人,采用摄像分析法进行步态分析,并对下肢康复机器人进行了动力学建模、分析及仿真.研究表明,下肢康复机器人对脑卒中患者的康复训练、脊髓损伤和截瘫、骨折患者的重新行走均能起到辅助作用,实现患者恒力恒速运动.      

一种新型电力光缆剪枝机器人的运动学联合仿真研究

针对架空电力光缆线路巡检维护中的树枝修剪问题,设计了一种新型五自由度串联剪枝机器人。首先,通过D-H(denavit-hartenbreg)参数法,建立了该剪枝机器人机械臂的运动学模型,得到运动学正逆解;然后在V-REP和MATLAB中进行联合运动仿真,并利用蒙特卡洛法分析剪枝机器人工作空间,得到机械臂工作空间的云图;为保证剪枝过程的运行平稳,在工作空间内进行轨迹规划并仿真;最后,联合仿真结果表明该剪枝机器人运动学模型有效,各关节及末端轨迹规划控制效果良好,可以实现1~1.5 m范围内灵活修剪树枝等障碍物的要求,为剪枝机器人后续控制问题研究提供了理论依据和实验基础。     

基于绳牵引并联机构的上肢康复机器人设计

人类的上肢为生活提供了诸多便利,健康的上肢是高质量生活的保证。上肢如果出现运动功能障碍就需要接受康复治疗。为了减轻康复师的工作强度,同时增强治疗效果,需要利用康复机器人代替康复师来进行康复训练。通过分析肘、肩关节的运动特性和规律,基于三自由度的冗余绳牵引并联机构设计了一款面向上肢康复的机器人。该机器人由定位模块和连接模块组成,可对不同尺寸的上肢进行主动和被动康复训练。由于机器人结构简单、易于装配、制造成本低,更容易被用户所接受。在结构设计完成后对该上肢康复机器人进行了运动学建模,同时进行了机器人奇异性的分析,为后续运动控制的研究做准备。最后,考虑到机器人的力传递性能和体积大小,采用多目标优化的方式对机器人进行了优化设计。仿真结果表明,优化设计有效地提升了机器人的相关性能。研究结果可为绳牵引并联机构在上肢康复机器人设计中的应用提供理论参考。     

基于人体姿态信息的下肢康复机器人运动控制技术

针对下肢运动功能障碍患者术后康复训练辅助设备的跟随控制问题,本研究提出一种基于人体姿态信息的下肢康复机器人运动控制方法。根据康复机器人的结构特性和功能要求,建立机器人运动数据信息采集系统和下肢康复机器人的运动学模型;构建机器人平台上的人体姿态行为信息采集传感器系统,通过分析位移传感器所采集的数据,得到表征人体姿态行为变化的相关信息,经上位机计算生成康复机器人的期望跟随速度;同时,基于模糊PID控制算法设计了跟随控制器。通过仿真和实验验证该控制算法能够有效减小机器人实时跟踪使用者运动过程中的误差,实现康复机器人对人体运动姿态良好的跟随效果。     

基于阻抗控制的下肢康复外骨骼随动控制

针对外骨骼单一的轨迹跟随控制难以满足患者主动康复训练需求的问题,将基于计算力矩的阻抗控制应用到下肢外骨骼中,分析控制系统的误差,设计一种自适应鲁棒补偿控制器。研制一种基于电机+套索传动的下肢外骨骼,降低外骨骼下肢的质量以提高轨迹跟踪效果。采用Lagrange法进行动力学分析。建立MATLAB和ADAMS虚拟样机的联合仿真平台,分析不同阻抗参数对人机交互力跟踪效果的影响。联合仿真实验结果表明,机械和控制系统具有良好的轨迹跟踪和人机交互力跟踪效果,验证了算法的有效性,满足患者进行主动康复训练的需求。     

一种用于修磨的机器人的PID控制法

为磨平钢坯细微缝隙的修磨机器人(SGR)提出了一种PID控制法。这种控制法利用前馈力矩作为总体补偿和一个反馈力矩校正轨线跟踪误差,其优点在于它的积分作用消除了机器人的稳态跟踪误差。最后,给出了SGR机器人的计算机仿真结果,验证了此控制法的有效性。     

老年人下肢康复训练机器人运动识别方法研究

本研究认为,由于后天环境影响和身体机能的下降,老年人下肢运动能力降低的人数不断增多,相应地,康复训练机器人的相关技术则成为了研究的热点.本研究以老年人康复训练机器人为研究对象,提出了一种通过采集前臂压力来识别老年人的运动意图的方法,即建立系统的运动学模型,使用模糊拉格朗日插值法识别机器人的运动方向意图,使用比例变化法识别机器人的速度意图,通过仿真对识别方法的优越性进行验证.仿真结果表明,文中方法识别的速度和方向与实际运动情况基本一致,表明该研究提出的方向和速度意图识别方法是可行的.该研究为下肢康复训练机器人的发展提供了一定的参考.     

基于模糊推理的上肢康复机器人自适应阻抗控制

根据患肢的病情特点为患肢康复运动提供最优的辅助力,保持系统的稳定,是机器人辅助康复控制技术中的关键所在.针对此问题在传统阻抗控制方法基础上,提出一种基于力参考值在线模糊调整的模糊自适应阻抗控制算法.该算法首先对患肢机械阻抗参数进行在线辨识,然后根据辨识得到的参数,运用模糊推理技术对康复机器人末端同患肢之间相互作用力的期望值以及目标阻抗控制参数进行实时调整.分析和仿真试验结果表明,该方法较传统阻抗控制方法更能有效地适应患肢病情的变化,具有较好的稳定性和鲁棒性.     

主动康复训练机器人的感知交互与控制策略

 目前中国面临巨大的康复压力和需求,康复训练是目前实现患者功能恢复的主要方式。主动型康复机器人能够引导和鼓励患者积极参与到康复训练过程中,达到更优的长期训练效果。从主动康复训练辅助技术、主动康复训练感知与神经交互技术、主动康复训练交互控制策略、主动康复训练技术发展等方面分析了主动型康复训练的问题,表明以人为核心的结构设计可以促进系统的舒适性、个性化建模和运动意图获取,可以提高人机交互准确性、诱发患者主动参与提高训练过程中神经交互的有效性。关键词康复机器人;主动康复;运动意图;人机交互;神经反馈刺激