基于MATLAB的双足仿生电动移动平台设计

通过MATLAB设计了一种新型代步工具平台——双足仿生电动移动平台.利用MATLAB平台下的虚拟现实工具箱,视频采集工具箱以及GUI,Simulink仿真等软件,建立并驱动人体下肢三维模型,完成人体下肢运动控制仿真;在GUI人机交互界面,通过摄像头对人体下肢运动情况进行运动捕捉,提取髋骨关节、膝关节及踝关节在运动过程中...     

一类大转角两转动并联机构的构型分析与运动学优化设计

面向航空航天和仿生设计等领域对大转角两转动并联机构的应用需求,围绕一类新型两自由度转动并联机构——2-RRRR2-RSR机构的构型分析与运动学优化设计问题展开研究.首先,以投影关系为基础分析2-RRRR2-RSR并联机构在给定工作空间内实现两自由度转动运动所需满足的几何条件,并针对两种投影情况分析机构的参数特解.其次,基于闭环矢量法求解2-RRRR2-RSR并联机构的位置逆解,推导机构驱动角度与动平台姿态角之间的映射关系,继而利用RRRR支链与RSR支链的运动特点,获得机构动平台姿态角的正解模型.以此为基础,借助螺旋理论建立2-RRRR2-RSR并联机构的速度映射模型,构建机构的广义雅可比矩阵,并通过软件仿真验证机构位置正、逆解及速度映射模型的有效性.再次,根据2-RRRR2-RSR并联机构的运动特性,以奇异性、铰链许用转角范围、连杆安全距离为约束条件,借助极限边界搜索法求解机构动平台中心点的位置工作空间,进而对应位置工作空间等效获得机构的转角工作空间.最后,借助螺旋理论中运动与力的互易积的物理含义定义可描述2-RRRR2-RSR机构瞬时功率传递特性的无量纲运动学性能评价指标,并结合工程实际需求设定机构的约束条件,实现机构的尺度参数的运动学优化设计.研究成果可为大工作空间两自由度转动并联机构的样机设计与控制策略制定奠定理论基础.     

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.     

穿戴式下肢康复机器人的运动学仿真分析

针对可穿戴式下肢康复机器人,对人体下肢自由度进行简化,建立了人体下肢运动学方程并求得正解。采用MATLAB软件中的Simulink和SimMechanics设计工具建立人体下肢的运动学仿真模型,并进行了运动学仿真研究,得到下肢各关节的运动轨迹与实际测量的轨迹基本吻合,证明了运动学模型的正确性,为实际的康复医疗及机构的控制提供了重要数据。     

穿戴式下肢康复机器人的运动学仿真分析

针对可穿戴式下肢康复机器人,对人体下肢自由度进行简化,建立了人体下肢运动学方程并求得正解.采用MATLAB软件中的Simulink和SimMechanics设计工具建立人体下肢的运动学仿真模型,并进行了运动学仿真研究,得到下肢各关节的运动轨迹与实际测量的轨迹基本吻合,证明了运动学模型的正确性,为实际的康复医疗及机构的控制提供了重要数据.     

3-SPS/S踝关节并联康复机构控制系统仿真

踝关节是人体下肢关节中较易损伤的部位,针对其结构特点,搭建了基于3-SPS/S的并联康复机构并对其进行运动学反解.进而以3-SPS/S踝关节并联康复机构为研究对象,利用Matlab里的SimMechanics工具箱建立机构仿真平台,给出动平台规划运动轨迹并生成机构驱动杆输入运动信号,对机构模型进行仿真分析并给出3D效果图.结果表明,该方法为并联康复机构控制策略的研究提供了安全高效可视的仿真平台,便于展开针对并联康复机构特点的各种控制策略的研究.     

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.     

基于Matlab的人体膝关节动力学仿真平台设计

在对小腿运动学和膝关节动力学分析的基础上,开发了一款基于Matlab的各种步态下人体膝关节动力学仿真平台.基于反向动力学原理,编写了Matlab计算程序,设计了仿真平台的图形用户界面(GUI),通过读取运动捕捉系统采集的下肢运动信息及三维测力台的支反力,实现了各种步态下膝关节关节力、关节力矩的快速计算.以正常步态为例,通过对一名健康人体右侧膝关节分析,并与Visual 3D软件结果进行对比,验证了该平台的可靠性,从而为人工膝关节置换和膝关节康复运动评定提供了一种新的分析工具.     

基于4-PSE并联机构的地质沉积模拟平台运动学分析

基于4-PSE并联机构设计了一种可进行全方位调姿运动的地质沉积模拟平台,对其运动学特性进行了研究。结合模拟平台的工作原理,对4-PSE并联机构的自由度进行了计算,推导了模拟平台的运动学方程。在ADAMS中建立模拟平台的虚拟样机模型,利用运动学仿真结果对其运动学参数进行了理论验证。对模拟平台的工作空间约束条件分析,求得其工作空间,绘制了相关结构参数对工作空间的影响曲线。研究结果为后续地质沉积模拟平台的多块平台组合系统实验提供了理论基础。     

风洞6PUUS并联实验台运动位置控制仿真及结构优化

针对风洞模型实验平台的6PUUS并联机构,分析了其工作原理及运动要求,运用并联机构运动学逆解及空间笛卡尔坐标变换理论求出了该类机构在任意实验给定欧拉角下的拉杆运动位置和滑块的运动插补路径.根据空间位置插补求解算法,验证了该算法的正确性.通过仿真分析获得了这类并联机构在工作范围内不发生滑块相撞的关键因素,最后结合机构参数的变化,对比优化前后的拉杆和动平台尺寸参数,证明该方法和仿真程序可以为这类并联机构的优化设计和奇异位形的辅助分析提供帮助.     

人体下肢运动摄影及其运动学数据的确定

采用运动摄影的方法,确定人体下肢在平地行走、下蹲和起立以及上楼梯等运动的运动学数据,并对其进行比较分析。通过对采集的图像序列进行分析和处理,获得了人体下肢标志点在不同运动下的运动学数据。在上楼梯时膝关节的屈膝角变化范围较窄,但变化速度较快;而在平地行走时屈膝角逐步增大,但变化相对比较平缓,故上楼梯更易导致膝关节损伤。在下蹲的过程中,屈膝角随下蹲而逐渐变化,而起立时则和下蹲过程相反。该方法可以简单而快速地确定人体的运动学数据,可为人体运动的计算机模拟和分析提供运动学数据,也可为临床运动相关疾病的诊断和运动康复训练提供参考依据。     

新型免载方式的膝关节矫形器设计与评价

通过对现有免载矫形器的机构工作原理及其局限的分析,提出了一种全新的全膝免载方式,即通过机构在下肢伸展时向上牵拉膝关节以承担部分载荷,据此设计了新型膝关节免载矫形器,并进行了相关的运动和力学分析.同时通过实验建立了矫形器大腿托与大腿压力、阻力以及皮肤变形间的关系,综合评价了矫形器对人体的影响,验证了其免载的有效性.     

一种新型SCARA机器人运动学分析及仿真

针对传统SCARA机器人末端操作的局限性问题,设计了一种新型SCARA机器人,通过改进SCARA机器人末端结构来增强传统机构的灵巧性。应用旋量理论建立了运动学模型,并进行了正运动学求解,得到各关节运动与末端位置的关系。根据杆长条件和关节运动范围,求解了机器人的工作空间。最后,应用ADAMS建立虚拟样机模型,探究该新型机构在特定运动区域内的工作路径,并将其可达空间与传统SCARA机器人对比,证明了该机器人可增强传统机构的灵巧性,并求得精细操作范围。该机器人可解决多角度操作问题,为工业生产中的复杂作业提供参考。     

正交结构6-PP^＋S并联机构的工作空间分析

为简化机构运动学模型,提出了一种正交结构6-PP^＋S并联机构,利用封闭矢量法建立了运动学方程．基于机构运动学方程和运动副的结构约束,给出了基于运动学模型的动平台工作空间约束模型,求出了工作空间的形状,研究了动平台在给定机构参数下不同姿态的工作空间,并进一步考察了机构参数的变化对工作空间的影响．这些对正交结构6-PP^＋S并联机构的应用具有指导意义．     

基于ADAMS的六自由度运动平台运动学分析

针对一种六自由度运动平台,建立其运动学模型,应用ADAMS分析软件进行了运动学仿真,证明了ADAMS分析软件对并联机构运动学正面和反面问题求解的有效性.     

异构双腿行走机器人机构优化设计

为了给智能仿生腿的开发提供一个理想的研究平台,提出了异构双腿行走机器人(BRHL)这一全新的类人机器人模式.阐述了BRHL的概念及研究意义,介绍了BRHL双腿机构的仿生设计.由于双腿机械结构类似,以仿生腿为例推导了BRHL的运动学模型.论述了BRHL的优化原则、目标函数及约束条件.利用处理好的正常人体步态数据对BRHL进行了优化设计.优化结果表明,BRHL能够较好地实现拟人步态,是智能仿生腿的理想研究平台.     

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。     

搬运助力外骨骼机器人运动学建模与仿真分析

为辅助工作人员高效轻便地完成搬运工作,设计一款结构合理与运动灵活的搬运助力外骨骼机器人。利用D-H参数法分别建立了外骨骼机器人下肢和上肢的运动学模型,对其进行正逆运动学求解。利用Pro/E软件建立搬运助力外骨骼的三维实体装配模型,并将其导入ADAMS中构建虚拟样机模型进行运动学仿真。仿真结果表明,下肢外骨骼能够满足人体运动,符合人体行走特征,上肢外骨骼符合人体搬运托举物体的特征。     

基于APAS的人体上肢运动分析

为了得到人体上肢关节运动数据，利用多维摄像系统，拍摄人体上肢在日常生活中的典型活动。通过设计标记点在人体上肢的布置和建立的人体上肢运动学模型，应用人体运动分析系统APAS分析处理体表标志点的运动，从而得到相应人体部位的运动。该研究可为建立人体上肢有源仿生机构和设计康复器材提供数据来源。     

3自由度冗余驱动下肢康复并联机构的运动学优化设计

研究了一种用于下肢康复的3自由度冗余驱动并联机构的概念设计和运动学优化.首先对该3自由度并联机构进行了简要介绍,然后推导了其运动学正逆解的解析解.基于螺旋理论,对该机构进行了广义雅可比分析,通过对4种非冗余驱动情形的力/运动传递性能分析,提出了一种用于评价该并联机构运动学性能的局部传递率指标.最后,借助于遗传算法,通过最大化局部传递率指标的全域平均值对该机构的设计变量进行了优化.运动学优化的结果表明,本文所提出的并联机构在其工作空间内具有较好的力/运动传递性能.