外骨骼式上肢康复机器人的轨迹规划及仿真

针对四自由度外骨骼式上肢康复机器人的运动需求,基于D-H参数法对其进行正/逆向运动学求解,并根据机器人微分运动学,建立表达关节空间的角速度与末端手在笛卡尔空间的线速度之间速度关系对应的雅可比矩阵,实现了末端手在笛卡尔空间的轨迹规划与运动描述,并通过MATLAB仿真验证了该机械臂运动关系的正确性。     

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。     

一种混合驱动的上肢康复外骨骼机器人设计

针对现有上肢康复外骨骼机器人的驱动问题,设计一种混合驱动的上肢康复外骨骼机器人,肩关节由电机直接与关节相连驱动,肘关节与腕关节由电机与绳索配合驱动。按照人体上肢解剖学结构设计出外骨骼机器人的本体结构和基本属性,分析肘关节运动原理,进行绳驱动关节张力分析,运用D-H法建立机器人的运动学模型,分析正运动学,通过ADAMS软件对机器人进行动力学仿真,运用CUBSPL函数作为驱动得出各关节的力矩变化,为后面各个关节电机的选型提供依据。     

三自由度上肢康复外骨骼结构设计与仿真

针对目前康复外骨骼存在结构设计复杂、价格高昂等不足,设计了一种结构简单、价格低廉、可批量定制的新型三自由度上肢康复外骨骼;首先,根据脑卒中患者的康复功能需求分析,设计了一款便携性上肢康复外骨骼,并与国内外主流康复外骨骼的价格进行了对比;其次,基于Denavit-Hartenberg(D-H)参数法建立了连杆坐标系,推导了运动学方程并给出了验证;然后,采用蒙特卡洛法对末端位姿工作空间进行求解,利用仿真软件绘制了工作空间点云图;最后,利用ADAMS对康复外骨骼进行了运动学仿真实验,验证了运动学分析的可靠性。结果表明,上肢康复外骨骼结构设计合理,能够满足上肢运动功能障碍患者的主动康复训练要求。     

4自由度上肢康复外骨骼机器人设计与分析

针对现如今上肢康复外骨骼机器人外部结构以及运动问题，利用Solidworks设计出一种4自由度可穿戴上肢康复机器人，基于人体上肢生物力学结构，使其关节和链接与人体的关节和链接相互对应，根据此基础设计出人体上肢运动学模型，使用D-H法分析了外骨骼机构的运动学关系，得到坐标转换矩阵，通过Matlab机器人工具箱进行运动学分析以及工作空间仿真模拟，进一步验证了运动学分析的可性。     

上肢外骨骼机器人结构设计与运动学分析

上肢外骨骼机器人是近些年新兴的研究领域,国内在这方面的研究尚属于起步阶段,而上肢外骨骼机器人中能够有效满足上肢运动辅助需求的机器人较少,且对安全性考虑较少。针对此现状,深入探讨了运动辅助对于上肢运动功能恢复的理论依据,并依此总结设计了满足该功能的上肢外骨骼机器人的要求,然后依据该要求,以安全性为基本出发点,初步设计了一种外骨骼上肢康复机器人。针对设计出的上肢外骨骼机器人机构,采用四参数法对其进行运动分析,求出了该机器人的正、逆解,并运用拉格朗日方程法对其进行动力学分析,建立其动力学方程,为之后的控制算法研究做好准备。     

基于力反馈的上肢康复机器人

针对脑中风引起的偏瘫患者,提出了一种新的基于虚拟现实技术上的上肢康复机器人系统。该系统主要由上肢外骨骼装置,触觉装置,电机控制器和工作站组成。患者穿戴上肢外骨骼机构,安装在患者患侧,通过电机带动外骨骼运动从而使患者患侧运动。在外骨骼运动过程中,通过力反馈机构将患者受力或施力反馈到三维触觉操作器,进而反馈给对其辅助治疗的医生。     

四自由度绳驱动刚柔混合式波浪运动补偿机构的动力学建模

为了避免船舶过驳吊运过程中货物与甲板间的碰撞,提出一种安装在船用吊装设备的四自由度绳驱动刚柔混合式波浪补偿运动机构。首先,设计该波浪运动补偿机构的实验装置,基于螺旋理论验证该波浪运动补偿机构的可行性。然后,基于代数法建立该波浪运动补偿机构的位置正/反解模型,并推导该补偿机构结构的运动学模型,最后,基于牛顿-欧拉法建立该波浪运动补偿机构的系统动力学模型,运用仿真软件对所推导的数学模型进行验证。研究结果表明:该波浪运动补偿机构的位置正/反解的误差数量级为10-5 mm;运动学和动力学模型的MATLAB数值模拟结果与Adams虚拟样机的结果基本吻合,最大相对误差为理论值的1.6%,在可接受的范围内,表明本文提出的四自由度绳驱动刚柔混合式波浪运动补偿机构能够实现主动波浪运动补偿。     

主从式上肢外骨骼康复机器人的运动学研究

针对主从式上肢外骨骼康复机器人的机械臂活动空间设计和双臂干涉问题,基于Denavit-Hartenberg参数建模法,以人体上肢活动范围为边界条件,建立主从臂各关节在统一固定坐标系下的运动学模型;以齐次坐标运动学模型为基础,确定基于上肢运动极限位置约束的主从双臂间的安全活动空间,并利用蒙特卡罗算法进行仿真验证;根据主从双臂活动范围的安全距离与上肢活动规律,给出主、从双臂各五自由度康复机器人的设计及从臂跟随主臂意图运动的训练方法。计算机仿真试验和实验室样机现场试验结果表明,机器人活动空间满足康复训练上肢活动方式和活动范围等人体工学要求,解决了因主从臂干涉而造成的二次伤害等影响康复效果的问题。     

下肢膝关节外骨骼仿生机构运动学研究

针对人体下肢行走时可分为摆动相与承载相的运动承载特征,提出具有运动包容性与承载有效性的下肢膝关节外骨骼仿生欠驱动五杆机构研究原型,运用闭环矢量法对其构建系统运动学模型,在此基础上得到系统速度雅可比矩阵,进而提出一种评价该仿生机构的全局性工作空间灵巧度的新型综合评价指标,并以此为优化目标。在MATLAB 9.0平台上,开展基于运动学模型的系统结构参数数值优化仿真,并结合UG NX 12.0虚拟样机仿真平台,进行仿真结果数据比对,通过误差分析验证了运动学建模的正确性,进而进行数据深入分析,结果表明：优化后的仿生机构相对人体膝关节运动空间而言,具有良好的仿生灵巧包容性,亦表明基于新型综合评价指标下的结构参数优化方法的有效性。     

移动机械手运动学模型及其操作度

对3自由度移动平台以及固定在其上的4自由度机械手组成的差动驱动式移动机械手进行了运动学分析,得出基于雅克比矩阵的统一运动学微分方程,最后对移动机械手及移动平台的可操作性进行了分析,得出了当机械手处于某种构形的时候,移动平台的运动对机械手的操作性无贡献.     

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6-DOF的空间机器人运动学研究

针对空间机器人在轨服务任务,建立了一种六自由度机械臂模型,并建立了各关节的杆件坐标系。对机械臂各关节进行了运动学分析,对各关节末端运动空间进行了仿真。在对机械手抓捕目标飞行器分析之后,提出了一种保持平台、机械手和目标飞行器三者姿态稳定的抓捕目标方案。最后对该抓捕过程进行了运动规划,对各关节角运动情况进行了研究。     

一种基于3-UPS并联机构的六维控制器运动学分析

对基于3-UPS并联机构的六维控制器进行了运动学分析,计算求解了3-UPS并联机构运动学正解和反解,同时运用MATLAB软件对其进行了运动学仿真,仿真结果证明了机构运动学正反解的正确性.运动学分析结果将为六维控制器结构参数优化设计以及控制电路的设计提供理论依据.     

An effective algorithm for needle tip displacement compensation in robot-assisted percutaneous surgery

This paper presents an automatic compensation algorithm for needle tip displacement in order to keep the needle tip always fixed at the skin entry point in the process of needle orientation in robot-assisted percutaneous surgery.The algorithm, based on a two-degree-of-freedom (2-DOF) robot wrist (not the mechanically constrained remote center of motion (RCM) mechanism) and a 3-DOF robot arm, firstly calculates the needle tip displacement caused by rotational motion of robot wrist in the arm coordinate frame using the robotic forward kinematics, and then inversely compensates for the needle tip displace-ment by real-time Cartesian motion of robot arm.The algorithm achieves the function of the RCM and eliminates many mechanical and virtual constraints caused by the RCM mechanism.Experimental result demonstrates that the needle tip displacement is within 1 mm in the process of needle orientation.     

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。     

穿戴式手枪射击稳定装置动力学仿真研究

为减小手枪射击时射击轨迹与瞄准基线的偏差,以子弹运动的方向为X轴正方向,与X轴垂直向上的方向为Y轴正方向设计了一种基于上臂外骨骼方案的手枪射击稳定装置。该装置通过限制手掌在X和Y方向上的运动及手腕关节处的转动来实现减小抖动的目的。分析了人体关节的阻抗类型,建立了手掌在射击前和射击后以及穿戴与未穿戴稳定装置状态下的运动方程,通过动力学仿真软件ADAMS计算手掌在X和Y方向上的速度和位移。得到的仿真结果表明方案达到了预期效果,并且在Y方向对位移的作用效果显著。     

基于关节自由度约束的上臂轴旋转跟踪误差补偿

针对外敷跟踪器下皮肤组织滑移(Soft Tissue Artifact,STA)引起的人体运动跟踪中上臂轴旋转角位移跟踪误差问题,基于关节自由度约束,提出一种利用相连肢体相对位姿矩阵分解的在线STA误差补偿角度计算方法.首先,利用一组不包含上臂轴旋转的上肢运动轨迹跟踪信息,基于关节点位置连续和旋转自由度约束,通过优化方法计算各肢体分段坐标系到相应跟踪器坐标系的位姿变换矩阵;然后,上肢实时运动跟踪时,对上臂和小臂相对姿态矩阵引入上臂轴旋转STA误差补偿运动,在肘关节两旋转自由度的基础上进行3自由度的旋转矩阵分解,得到STA误差补偿角度.4人上肢运动跟踪实验表明:在不同肘关节内曲角度条件下,均能有效在线修正上臂轴旋转STA跟踪误差,且在旋转角度较大时,补偿精度优于线性STA误差补偿方法.     

基于迭代学习控制算法的下肢外骨骼机器人跟随特性研究

目前下肢外骨骼机器人存在的运动控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹时存在误差,从而导致人机系统随动性能差。因此,本文提出迭代学习控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹。首先,结合人体下肢结构分析,建立下肢外骨骼机器人动力学模型;其次,基于迭代学习控制算法建立下肢外骨骼机器人随动控制模型;最后,利用Matlab软件设计指数变增益闭环D型运动控制系统,分析收敛速度与谱半径的关系,追踪得到人体下肢髋关节和膝关节期望轨迹。仿真结果表明该算法能够有效提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪精度,提升人机系统随动性能。