Lifemod在运动生物力学中的应用

多体动力学数字仿真软件Lifemod是目前世界上较为先进的人体动力学仿真软件。它通过输入人体参数,可以快速建立个性化的多形式的人体模型;通过动作捕捉系统,可以将测量得到的人体运动转换为人体模型的运动;通过动力学分析和肌肉力计算,可以得到一个行为过程中的关节力矩和肌肉力;通过建立接触,可以获取人体与外界环境(包括器械)的接触力。该仿真软件作为优秀的工具支持,将在人体运动的内在规律及模型的研究上开拓新的领域。     

三维人体下半身行走动画模型的研究与实现

采用多面体组合建立人体模型，用三角函数拟合步行时的关节活动轨迹，设计Ｂｅｎｄ函数来实现关节体和部位体的转动控制，采用逐节调整转动角度的方法实现人体下半身的旋转坐标变换，整体进行移动坐标变换，生成了步行过程中的一幅幅三维人体活动模型图形，使之在连续播映时产生逼真的人体行走动画效果．     

卧姿有依托人枪系统建模与仿真分析

为研究采用浮动发射技术的高初速榴弹发射器射击时与人体相互作用,参照中国成年人人体尺寸国家标准,建立19刚体、52自由度的人体模型,结合单发卧姿抵肩射击的特点,建立人枪系统发射动力学仿真模型。分析自动机在人枪系统发射过程中的运动特性及人体重要关节的受力特性,总结人体重要关节在不同参数下的受力响应规律,给出降低人体关节受冲击载荷的若干途径。仿真结果表明,该模型可以预估榴弹发射器对人体关节的冲击效应,为新枪的研制提供必要的仿真依据。     

基于船舶人机工程的虚拟人操作驱动建模仿真技术

针对船舶设计过程中复杂的人机工程学问题,提出了在虚拟环境中通过满足精度要求的虚拟人实时驱动模型仿真的新方法.采用动态约束方法,基于旋转信息建立虚拟人实时驱动模型,将运动跟踪系统捕获的真人运动参数映射到实时驱动模型而实现对不同百分位人体模型的操作;建立驱动误差模型,分析运动跟踪系统误差对实时驱动模型驱动精度的影响;基于上述方法开发了船舶虚拟人实时驱动模块,并集成到船舶产品设计的虚拟评估系统中;以某型船舶机舱设施布局的人机工程学评估为例进行应用验证.结果表明,所提出的虚拟人操作驱动模型具有较好的有效性.
     

基于粒子滤波算法的三维关节型人体运动跟踪

针对复杂背景,提出了一种新的基于三维关节型人体模型和粒子滤波器的人体运动跟踪算法,并基于此开发了一套鲁棒性强、精度高的应用系统.首先构建一个简易且完备的三维关节型人体模型.然后对经标定、校正之后的图像做背景减除,计算场景深度信息、前景轮廓信息、手臂轮廓信息,将这些特征与人体模型特征进行匹配,生成似然函数,使用粒子滤波得到模型的各个参数,恢复人体上身姿态.实验结果表明,此算法能够对各种复杂背景、不同光照条件、不同跟踪对象、各种姿态的人体进行跟踪,具有较强的适应性和抗干扰能力.     

三维人体下半身行走动画模型的研究与实现

采用多面体组合建立人体模型，用三角函数拟合步行时的关节活动轨迹，设计Ｂｅｎｄ函数来实现关节体和部位体的转动控制，采用逐节调整转动角度的方法实现人体下半身的旋转坐标变换，整体进行移动坐标变换，生成了步行过程中的一幅幅三维人体活动模型图形，使之在连续播映时产生逼真的人体行走动画效果。     

基于ADAMS的焊接机器人轨迹规划

通过Pro/E建立六关节弧焊机器人的CAD模型,导入ADAMS软件并通过点驱动的方式,求解各关节角度随时间的变化;通过ADAMS的后处理模块,将测量所得各关节角度随时间的变化曲线转换为样条曲线,在各关节上添加驱动电机,观察求解的准确性;求解所得的各关节角度随时间变化的数据转换为相应的脉冲函数关系,在物理样机上进行驱动。     

考虑关节刚度机器人误差响应研究

用Kane方法建立了考虑关节处驱动电机与工作臂之间刚度和阻尼的3关节CP控制工业机器人关节误差响应方程。对不同关节运动规律配置时关节误差响应特性进行了研究,在此基础上提出了选择高速工业机器人关节运动规律的一般原则。     

基于等效阻力矩的机器人关节反向驱动控制

针对微创手术机器人术前手动调整困难的问题,以简化的单关节为对象研究其反向驱动的控制方法.建立关节的等效阻力矩模型,通过参数辨识实验得到系统的动力学参数.为获得准确的关节转动速度和加速度等信息,搭建状态观测器对系统状态进行重构,并通过仿真确定合理的观测器反馈矩阵.利用状态观测结果结合关节等效阻力矩模型实现单关节的反向驱动控制方法.实验结果表明:所设计的控制方法能够较理想地补偿反向驱动过程中重力、摩擦力和惯性力的影响,使反向驱动所需力矩的平均值降低70%以上,且有效改善了关节运动过程中的爬行问题.     

虚拟环境中人体运动的控制与实现

虚拟环境中人体运动是虚拟现实技术中的一个重要研究领域，有着广泛的应用前景。通过分析人体运动的特点和虚拟人体的骨骼模型，采用以数据驱动与程序驱动相结合的方式建立了虚拟人体运动模型，采用这种方法建立的人体模型不仅可以修改人体各个部分的静态属性而且可以方便地实现人体的运动控制。文中重点讨论了虚拟环境中虚拟人体运动的控制和实现。利用Vc＋＋6．0和OpenGL，编程实现了通过人机交互输入数据和按预定轨迹对虚拟人体步态的控制。     

Hopping planning of the bionic leg mechanism driven by PAMs with biarticular muscle

Bionic robots are generally driven by motors. As robots driven by pneumatic artificial muscles(PAMs) have the advantages of light weight, good bionics and flexibility, more and more researchers have adopted PAMs to drive bionic robots. A kind of bionic leg driven by PAMs for hopping is proposed in this work. A 3-DOF bionic leg driven by 4 PAMs is designed by analyzing the biological structure and movement principles of frog legs, and 3 kinds of leg configuration with different PAMs arrangement is proposed. One biarticular muscle is used to increase the joint rotating range. The bracket pulley and PAMs for driving joint can effectively increase its rotating range. The rotating range of hip and knee joint driven by a biarticular muscle is simulated. The simulation results show that the biarticular muscle can transfer the movement of the hip joint to the knee joint and increase the rotating range of the knee joint. The greater the contraction of PAM, the greater the rotating range of joint. The bionic leg can perform planned step distance and step height of hopping.     

关于PMA驱动的手指关节半径优化问题的研究

提出在气动人工肌肉驱动的关节系统中存在一个最优关节半径,使得对同一系统输出转矩达到最大. 通过分析气动人工肌肉静态特性模型,推导出关节静特性模型. 改变气动人工肌肉的结构参数或状态参数进行仿真,得到关节半径变化与关节输出转矩之间的关系,并计算出最优关节半径. 关节转角越大,最优关节半径越小;肌肉越长,最优关节半径越大,肌肉的直径对最优关节半径影响不明显. 该分析方法与结果对气动肌肉驱动的灵巧手的结构设计起到有效的指导作用.     

基于PSO的气动人工肌肉驱动关节优化的研究

提出在气动人工肌肉驱动的关节系统中,存在一个最优关节设计,包括关节半径、肌肉附着点最优位置等,使得对同一系统输出转矩达到最优.通过分析气动人工肌肉静态特性模型,推导出关节静特性模型.改变气动人工肌肉的状态参数进行仿真,得到关节半径变化、肌肉附着点变化与关节输出转矩、收缩量之间的关系,并利用PSO计算出最优关节半径与肌肉附着点最优位置.此分析方法与结果对气动肌肉驱动的仿生手臂的结构设计起到有效的指导作用.     

一种新型变刚度关节结构设计

为研制出一种符合人体肘关节参数的变刚度关节结构,使其在实际应用中能更好帮助到人类.以人体肘关节为例提出了一种符合人体关节形态的变刚度关节结构.在关节中采用了弹簧片、行星轮系和曲柄滑块机构.通过两台电机分别驱动太阳轮和外齿圈,将行星轮的转动转化成滑块的移动,从而改变弹簧片的支撑位置并改变关节的刚度.与其他同类设计相比,所提出的关节在结构和布局方面更符合人体关节的结构形态,可应用于其他关节的设计.     

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.      

小型双足机器人直行步态的并行规划策略研究

根据人体结构设计了小型舵机驱动双足机器人,采用D-H方法建立其位姿数学模型,利用5次多项式插值的方法规划出踝关节和髋关节的位置-时间函数,对髋关节踝关节轨迹进行代数解析得到每个关节的转角-时间函数.提出双足机器人直行步态并行规划策略,即将关节转角-时间函数分别导入ADAMS虚拟样机和实际物理样机,虚拟样机和物理样机同时测试规划的步态数据.通过实验验证,并行规划策略可以并行比较运动仿真直行步态和物理样机直线行走状态.     

形状记忆合金丝驱动的仿生转动关节臂

提出了动物关节臂的力学模型,讨论了形状记忆合金（ＳＭＡ）和动物骨骼肌生物力学行为的相似性和力学性能的差异．基于仿生学的原理,研究了用ＳＭＡ丝驱动仿生转动关节的技术．研制了能实现ＳＭＡ感知功能的控制电路和ＳＭＡ丝驱动的仿生转动关节驱动器,并用该关节驱动器开发了一个两自由度的微型关节臂,该微型关节臂可用于微型步行机器人和人工假肢．     

挠性接头角刚度静态测量方法研究

挠性接头角刚度的测量精度直接关系到陀螺仪的控制精度和灵敏度,但传统方法存在较多问题。根据挠性接头角刚度静态测量原理,基于不同的加载方式提出2种角刚度静态测量方法,即机械式加载角刚度测量和压电式加载角刚度测量。搭建以电动倾斜台为分度加载驱动的机械式挠性接头角刚度测量系统,进行挠性接头角刚度测试试验,得出挠性接头角刚度数值。针对机械式加载测量方法中测试结果不稳定的问题,设计利用压电促动器的静态加载机构,提出了一种利用压电促动器测量挠性接头角刚度的方法。使用ANSYS Workbench对压电加载机构位移输出进行仿真,位移输出满足挠性接头角刚度静态测试加载要求,验证了压电式静态测量方法理论的可行性。     

伺服驱动在Passim卷烟机烟纸拼接系统中的应用

换纸驱动采用交流伺服驱动,可以在主机高速运行时拼接,不需要主机降速运行,对烟纸盘纸产生的拉力均匀,不易拉断烟纸,与主机同步速度快,节省卷烟烟纸。     

夹点分析优化后的油田联合站分布式能源系统特征与节能潜力

胜利油田进入特高含水期,开采难度加大,采油成本上升,节能已成为采油厂成本控制的主要因素,采用燃气轮机或燃气内燃机发电、烟气驱动热泵回收污水余热和加热原油等工艺相结合,可以构建基于天然气的分布式能源系统。通过对传统联合站以及联合站分布式能源系统进行夹点分析,从而实现能流分析优化。基于燃气内燃机变工况能流模型,通过热力模拟进行燃气内燃机的燃烧计算,对水套加热炉加热原油的传统联合站进行夹点分析。基于烟气余热驱动的溴化锂吸收式热泵能流模型,对联合站分布式能源系统进行夹点分析。对联合站分布式能源系统与传统联合站进行了对比分析,联合站分布式能源系统节能潜力达24%,为实现“双碳”目标做出了贡献。