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。     

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。     

一种外骨骼式康复机器人训练效果仿真

针对外骨骼式下肢康复机器人训练有效性的问题,开展了基于人体生物力学软件Any Body的康复训练仿真实验研究.通过人体动作捕捉实验,获取一成年男子在正常步行时的运动学信息,利用Any Body建立人体步行模型,并以下肢肌肉受力情况为依据确定下肢主要肌肉群.建立人-机系统模型,借助Hill方程,以人体下肢肌肉收缩速率作为判断标准,通过模拟实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人的康复运动,获取下肢主要肌肉的收缩速率变化情况,并将其与正常步行时的肌肉收缩速率进行比较与分析.结果表明,两种情况下大腿肌肉群的收缩速率变化情况基本一致,小腿与髋部肌肉群差异较明显.改进外骨骼结构,使其能够同时实现在冠状面内的运动,比较在两种结构下的下肢主要肌肉收缩速率变化情况,结果表明髋部肌肉产生了较为明显的波动.因此,能实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人能够有效训练大腿肌肉群,但对小腿与髋部肌肉的训练效果不明显,加入冠状面运动后,能提高对髋部肌肉的训练效果.     

非对称4自由度3SPS+PS并联机构平台的力结构性能分析

非对称4自由度3SPS+PS并联机构中,4条支链在联接动静平台四个角点,以该机构为研究对象,建立了机构模型与运动学模型,并得到运动雅克比矩阵。根据运动雅克比矩阵与力雅克比矩阵的对偶关系,得到机构的力雅克比矩阵。给定动平台的负载及位置,建立受力模型,分析当负载在作用点0°~360°变化时,四个移动副的受力情况。采用MATLAB软件画出其受力图。运动学模型的建立以及分析结果对该平台样机的控制以及强度校核有指导意义。     

不同足地界面对人体三维步态的影响

为了解足地界面对人体下肢运动学、动力学的影响,从实验的角度对受试者在光足、穿球鞋和穿7 cm高跟鞋时的三维步态进行了测试。结果表明在运动学方面:足地界面对踝、膝和髋关节运动均有影响,而且在冠状面内的影响程度远大于矢状面。在动力学方面:穿高跟鞋后,膝关节和踝关节内收力矩峰值增大,踝关节和髋关节弯曲伸展力矩均有变化;沿股骨和胫骨轴向,分别作用于膝关节和踝关节的力增加,沿步行前后方向膝关节和髋关节的力增加。这些变化加剧了关节的磨损,长期积累会造成关节损伤和病变。     

BSPTS疗法联合核心力量训练对轻度青少年特发性脊柱侧凸影响

[目的]探讨BSPTS(Barcelona Scoliosis Physical Therapy School, BSPTS)疗法联合核心力量训练对轻度青少年特发性脊柱侧凸(Adolescent Idiopathic Scoliosis, AIS)的影响.[方法]将44名轻度AIS患者分为自然组、对照组和实验组.自然组不采取任何措施；对照组遵医嘱按要求自行矫治，并定期回医院检查；实验组给予BSPTS疗法联合核心力量训练矫治.比较3组患者矫治前、后冠状面、矢状面、水平面、体表指标和生活质量改善情况.[结果]自然组和对照组与矫治前比，患者冠状面、矢状面、水平面、体表指标和生活质量均未表现出改善且部分指标更趋不良；实验组与矫治前相比，患者各项指标和生活质量均表现出改善和趋向良好；实验组与自然组和对照组矫治后相比，各项指标和生活质量也均表现良好.[结论]BSPTS疗法联合核心力量训练可矫治轻度AIS,有效改善患者冠状面、矢状面、水平面畸形，促进体表、竖脊肌两侧趋向平衡，提高患者生活质量.     

前交叉韧带重建术后运动生物力学特征

回顾了前交叉韧带重建术(ACLR)后患者膝关节运动学、动力学改变与功能表现,发现ACLR后患者运动生物力学特征改变主要发生在矢状面,只有在合并其他严重损伤时才会出现冠状面与横断面运动学与动力学改变.ACLR后患者还会存在本体感觉与神经肌肉控制改变,提示ACLR后患者康复过程中除了常规康复外,还要额外注重其本体感觉与神经...     

基于电磁跟踪系统的人体上肢运动测量

根据人体上肢的特点将其运动简化为7自由度的刚体运动，利用电磁跟踪系统对人体上肢的运动进行测量。建立了固连在上肢上的关节坐标系，提出了通过电磁跟踪系统各个传感器得到的数据计算关节旋转矩阵的算法，从而可以计算出上肢运动时的关节运动数据。     

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。     

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.     

基于标记点测量方法的上肢日常活动测量研究

使用基于普通摄像机的多维摄像系统，实现了基于体表标记点测量方法的上肢关节运动分析。在建立上肢运动模型基础上利用重构得到的标记点的空间数据，获得空间运动参数，建立了关节坐标系，并提出关节转角的计算方法。对上肢的日常活动进行了分析与测量。     

基于广义回归神经网络的上肢关节角度预测

针对人体上肢运动意图识别问题,基于上肢表面肌电信号,提出广义回归神经网络(general regression neural network,GRNN)预测受试者的上肢关节角度.GRNN预测模型的输入为处理后的表面肌电信号,预测的3个关节角作为输出,将GRNN预测结果和径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络的预测结果对比,并用均方根误差对上肢关节角度的预测结果做评估,验证GRNN模型预测上肢关节角度的可行性.结果表明,GRNN模型能较好地估计人体关节角度.     

一种大型球冠蜂窝灌注机器人结构设计与分析

针对航天器中大型球冠蜂窝防热层结构自动灌注问题,设计了一种3自由度混联灌注机器人,并建立灌注机器人的机构模型.该混联机器人结构紧凑、驱动简单、占地面积小,末端灌注装置始终垂直于球冠面移动,有利于蜂窝结构的灌注;采用多机器人操作模式,提高了灌注效率.通过建立运动学约束方程,分析了机构的运动学反解,同时建立了机构的速度雅可比矩阵,在此基础上,利用一种高效的数值正解算法分析了运动学正解,并通过对位置正解的分析得出灌注机器人的整个工作空间,并基于速度雅可比矩阵对机构的灵巧性和奇异性进行分析.结果表明灌注机器人能够实现对蜂窝结构的精确定位,且工作空间能够达到整个球冠面,满足蜂窝防热层结构的灌注要求.     

带滑移铰空间机械臂协调运动的自适应分解运动控制

讨论了载体位置不受控制的漂浮基带滑移铰空间机械臂本体姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的逆运动学问题.结合系统动量守恒关系进行的系统运动学分析表明,可以将空间机械臂本体姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的增广广义Jacob i矩阵表示为一组适当选择的组合惯性参数的线性函数.以此为基础,设计了系统部分参数未知情况下,由本体姿态期望运动及机械臂末端抓手惯性空间期望运动轨迹产生机械臂关节铰期望角速度、角加速度的自适应控制算法.由于充分利用了空间机械臂系统动量守恒的动力学特性,本文提出的方法具有不需要测量、反馈载体基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点.系统数值仿真证实了该方法的有效性.     

舵叶随动式液压球形关节运动学及性能分析

针对球面运动机构驱动方式问题,提出了一种新型液压驱动球形关节机构,该机构利用超全周转动马达及舵叶摆动马达作为驱动,可以实现超全周转动;由机构学理论推导了正逆运动学方程及雅克比矩阵,得出了机构的奇异位形;分析了机构的灵巧度性能指标及惯性力全域性能指标,通过仿真找到了机构性能较优时的结构参数. 该关节机构具有结构紧凑、低耦合、负载大并且能够实现全方位输出的特点.      

新型三杆五自由度虚轴机床五坐标加工数学模型

研制了一种新型三杆五自由度虚轴机床,建立了五坐标加工数学模型·利用刀具轴线与加工轨迹上曲面法向量的关系及三杆虚轴机床平动的特性,确定了三驱动杆的长度及两驱动轴的转角·该表达式为显式,形式简单,计算量小,易于实现机床五坐标加工的实时控制·另外给出了机床运动学正解及雅可比矩阵·正解及雅可比矩阵为显式,为机床的灵巧性分析、速度分析及误差补偿提供了条件·这种虚轴机床可以实现复杂形面的五坐标加工·     

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。     

非冗余机械臂奇异路径跟踪算法

非冗余机械臂跟踪设定路径时 ,奇异点上 Jacobian矩阵降秩 ,基于 Jacobian逆的运动规划方法将失效。针对此问题提出一种精确跟踪奇异路径的算法 ,把路径跟踪问题化为非线性特征值问题 ,用数值方法求解路径跟踪方程 ,得到以扩展空间解曲线弧长为参数的逆运动学解 ,而关节轨迹可规划为弧长参数的任意函数。算法采用自适应步长和一阶模型预测方法 ,具有较低计算复杂性和较快收敛速度。给出一个仿真算例 ,说明了算法的有效性     

精密并联机器人系统误差的分析与补偿

为减小机构末端定位误差,提高精密并联机器人运动精度,以6-HTRT并联机构为结构模型,分析了机构的各种制造误差。首先在机构上开发了一种新型虎克铰链,同时采用了预紧装置;然后在控制系统中引入DSP高性能数据处理器;最后,用矢量构造的方法计算机构速度Jacobian矩阵,用数值法计算位置正解,用构造法计算误差Jacobian矩阵,对机构末端误差进行补偿。通过以上措施,可以使系统的精度提高到机构重复运动精度的3倍左右,满足精密并联机器人工作的精度要求。其中,软件误差补偿算法不受并联机构类型的限制,有较大的适用范围。