Trajectory tracking control of the bionic joint of the musculoskeletal leg mechanism

Pneumatic artificial muscles ( PAMs) have properties similar to biological muscles, which are widely used in robotics as actuators.It is difficult to achieve high-precision position control for robot-ics system driven by PAMs.A 3-DOF musculoskeletal bionic leg mechanism is presented, which is driven by PAMs for quadruped robots.PAM is used to simulate the compliance of biological muscle. The kinematics of the leg swing is derived, and the foot desired trajectory is planned as the sinusoid-al functions.The swing experiments of the musculoskeletal leg mechanism are conducted to analyse the extension and flexion of joints.A proportional integral derivative ( PID) algorithm is presented for controlling the flexion/extension of the joint.The trajectory tracking results of joints and the PAM gas pressure are obtained.Experimental results show that the developed leg mechanism exhibits good biological properties.     

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.     

Analysis on pivot turning of quadruped robot with bionic flexible body driven by the PAMs

The pivot turning function of quadruped bionic robots can improve their mobility in unstructured environment.A kind of bionic flexible body mechanism for quadruped robot was proposed in this paper,which is composed of one bionic spine and four pneumatic artificial muscles （PAMs）.The coordinated movement of the bionic flexible body and the leg mechanism can achieve pivot turning gait.First,the pivot turning gait planning of quadruped robot was analyzed,and the coordinated movement sequence chart of pivot turning was presented.Then the kinematics modeling of leg side swing and body bending for pivot turning was derived,which should meet the condition of the coordinated movement between bionic flexible body and leg mechanism.The PAM experiment was conducted to analyze its contraction characteristic.The study on pivot turning of the quadruped robot will lay a theoretical foundation for the further research on dynamic walking stability of the quadruped robot in unstructured environment.     

优秀男子撑杆跳高运动员下肢力量平衡的对比研究

通过对一、二级男子撑杆跳高运动员下肢力量的测试分析得出：一级运动员髋关节、膝关节的肌肉力量平衡特征与撑杆跳高起跳技术用力特点相一致,膝、踝关节同名肌的平衡状况良好,二级运动员髋关节肌力平衡性较好,而膝、踝关节同名肌的平衡性较差,二级运动员应加强两腿膝、踝关节同名肌的协调发展。     

气动人工肌肉关节驱动特性实验研究

针对气动人工肌肉柔软的物理特性，设计一种新型的气动人工肌肉实验台，该试验台采用气缸作为气动人工肌肉的负载，自动测量气动人工肌肉的参数；通过对实验数据进行拟合，建立简单实用的静态特性模型；对由一对人工肌肉组成的关节进行静态实验和阶跃实验，实验结果表明，气动人工肌肉关节线性度高，但响应速度低，存在滞环．     

一种新型翻转跳跃运动机器人的运动结构与轨迹规划

提出一种全新的单腿机器人运动模式——翻转跳跃运动模式，对其运动结构和轨迹规划进行了分析．与一般单腿机器人的弹簧结构完全不同，翻转跳跃运动机器人的运动结构仅由3个旋转关节构成；1个完整的翻转跳跃运动周期则由2个行走阶段和2个飞行阶段组成．在飞行阶段，由于机器人绕其质心的角动量守恒，各关节则不加控制．因此，可利用这种全新运动模式机器人特有的运动学和动力学特性，将其运动轨迹规划问题转化为2个非线性二阶约束条件下的最优化问题．给出了一个消耗能量最小的运动轨迹规划问题的仿真结果．     

图算角变力矩法

力矩分配法,是工程界常用的手算结构的力学分析方法.以力矩表达结构结点角位移的量,称为角变力矩.以角变力矩为未知量,以计算图为对象利用力矩分配法概念求解超静定结构的方法,称为图算角变力矩法,即边看图边计算角变力矩的方法.图算角变力矩法,克服了力矩分配法直接待求量个数多、计算的渐近性和有截断误差的近似性等缺点,发扬了力矩分配法计算程式规范,省脑力、思路清晰等优点,成为一种直接精确的力学分析方法,为建立超静定结构普遍统一的力学分析方法奠定了基础.     

刚柔耦合在仿猫腿跳跃机器人中的功率放大作用

针对一种仿猫腿机器人机构的跳跃能力进行分析,以研究弹性蓄能原件在机构中形成的刚柔耦合作用对机构跳跃能力的影响.建立了机构的运动学模型,利用ADAMS软件对机构进行了跳跃仿真.对其分析表明,弹性蓄能原件在起跳时对机构可以形成较大的功率放大作用,显著提高机构的跳跃能力,不同部位的蓄能原件对跳跃能力的影响不同.对机构各关节的阻尼和刚度配置对跳跃能力的影响也做了仿真和分析.     

穿戴髌腱加压带对跳跃动作影响的生物力学研究

为探讨髌腱加压带对股四头肌肌力、活化程度和跳跃力学的影响,招募16位自愿参与本实验的健康受试者,运用等速肌力仪及表面肌电测试系统,监测穿戴髌腱加压带前后股四头肌肌力及肌肉活化程度,并利用三维测力台分析3种不同跳模式的地面反作用力.结果显示:①穿戴髌腱加压带对股四头肌肌力及肌肉活化程度无显著影响,但可有效提升股内侧肌活化程度并可降低股外侧肌活化程度;②穿戴髌腱加压带可显著增加蹲踞跳起跳时地面反作用力,但对下蹲跳和着地反弹跳起跳时的地面反作用力无影响作用;③穿戴髌腱加压带虽不影响下蹲跳及着地反弹跳的地面反作用力,但却在负荷率及着地反弹跳第1次及第2次着地时地面反作用力方面存在下降趋势.认为穿戴髌腱加压带对于股四头肌肌力输出与肌肉活化程度没有负面效益,不会影响股四头肌在运动过程中的伸张-收缩循环机制,能降低着地时的冲击负荷.     

Horses damp the spring in their step.

The muscular work of galloping in horses is halved by storing and returning elastic strain energy in spring-like muscle-tendon units.These make the legs act like a child's pogo stick that is tuned to stretch and recoil at 2.5 strides per second. This mechanism is optimized by unique musculoskeletal adaptations: the digital flexor muscles have extremely short fibres and significant passive properties, whereas the tendons are very long and span several joints. Length change occurs by a stretching of the spring-like digital flexor tendons rather than through energetically expensive length changes in the muscle. Despite being apparently redundant for such a mechanism, the muscle fibres in the digital flexors are well developed. Here we show that the mechanical arrangement of the elastic leg permits it to vibrate at a higher frequency of 30-40 Hz that could cause fatigue damage to tendon and bone. Furthermore, we show that the digital flexor muscles have minimal ability to contribute to or regulate significantly the 2.5-Hz cycle of movement, but are ideally arranged to damp these high-frequency oscillations in the limb.     

对仿猫跳跃机器人起跳过程中腰部作用的分析

家猫灵活善跳,分析其跳跃规律可为腿型跳跃机器人的设计提供灵感。以能模拟家猫跳跃的仿猫机器人为模本,对其进行结构简化并进行动力学和运动学分析,得到其腰部力矩随时间变化规律,以此分析其腰部在起跳过程中的作用。从能量角度分析起跳时腰部初始夹角与到达特定起跳姿态机构所需做功关系,并对比了有无腰部辅助跳跃时的区别。分析结果说明了腰部在起跳准备阶段的姿态调整对提高效率的作用,证明了有腰部辅助跳跃的机构相比于无腰部辅助跳跃的机构更加灵活高效。     

躯干位置对于跳深运动影响的实验研究

目的:不同躯干位置对于着地缓冲有着明显的影响,但是躯干体位对于跳深运动的影响效果目前尚不清楚,所以本实验对不同躯干位置对跳深的影响进行运动学和动力学的研究,以探求躯干位置对于跳深运动的影响。方法:苏州大学体育学院体育教育学生20名为实验对象,受试者从30cm高处做两种方式无初速度跳深运动:(1)躯干故意向前弯曲下落尽力起跳;(2)躯干故意挺直下落尽力起跳。每种姿势重复三次,取动作最好的一次进行分析,每个动作之间休息两分钟。采用vicon红外运动捕捉系统和kistler三维测力系统同步记录运动学和动力学参数。结果:躯干前倾髋关节,膝关节关节范围变化大,角速度小,踝关节无明显变化,地面反作用力峰值变小,缓冲距离加大,有助于下落的缓冲和起跳成绩的提高。躯干前倾的跳深,髋膝关节的角速度明显减小,膝关节的外展角度减小,这降低了十字韧带损伤的危险。结论:躯干体位对于跳深运动能力和损伤具有明显的影响。     

响应面法优化薤白多糖的羧甲基化修饰工艺及抗氧化活性研究

采用氯乙酸法对醇沉法得到的薤白多糖(PAM)和柱层析纯化的3种分级薤白多糖进行羧甲基化修饰,以氯乙酸浓度、反应时间和反应温度为自变量,修饰产物的羧甲基取代度(DS)为响应值,应用响应面设计法确定羧甲基化修饰的最佳条件,用H2O2/Fe2+体系法和邻苯三酚自氧化法测定修饰产物的抗氧化活性.结果表明:薤白多糖氯乙酸法修饰的最佳条件为氯乙酸浓度1.3 mol/L、反应温度63℃、反应时间3.2 h.此条件下羧甲基取代度为0.882.羧甲基化修饰能提高薤白多糖的体外抗氧化活性.     

一种可重构空间四杆机构

提出一种可重构空间四杆机构,其具有两种不同的工作模式,模式Ⅰ为一个转动运动,模式Ⅱ为一个平移平动,两种运动模式进行切换的初始位形具有瞬时的一个转动和一个平动.将可重构空间四杆机构与一个具有两移动和两转动的串联支链相连,构成一种具有两种不同工作模式的可重构混联支链.利用3条可重构混联支链连接并联机构的固定平台和运动平台,可得到一种新型可重构并联机构,通过控制3条可重构混联支链分别在两种不同工作模式间切换,可重构并联机构可实现4种不同的三自由度运动模式.利用螺旋理论分析和证明了上述结论.     

四足机器人气动人工肌肉驱动的仿生柔性机体动力学分析

基于四足生物动态步行时其柔性机体辅助腿机构的运动机理,设计了一种由气动人工肌肉、仿生脊柱、前机体和后机体组成的四足机器人仿生柔性机体.采用几何法分析仿生柔性机体运动学,建立四足机器人转向时仿生柔性机体弯曲角与气动人工肌肉长度变化间的关系,通过控制气动人工肌肉长度以控制机体弯曲.基于浮动坐标法和动量矩定理进行仿生柔性机体刚柔耦合动力学建模,对比分析了不同机体刚度下机体弯曲所需气动人工肌肉驱动力.设计仿生柔性机体弯曲控制实验系统,采用PID控制算法进行机体弯曲实验分析.四足机器人的仿生柔性机体分析,为提高其非结构化环境机动性奠定了基础.     

气动人工肌肉驱动多自由度平台的非线性特性

以气动人工肌肉为驱动器,构造了一个新型的多自由度平台实验系统,基于对其运动特性的分析。建立了以微分方程表达的系统的非线性动力学模型,并进一步将其变换成状态空间的仿射非线性表达形式．通过数字仿真结果和实验结果的对比,证明了所建立的数学模型的正确性,并得到了该系统的一系列非线性特性．结果表明,气动人工肌肉驱动的多自由度平台具有很好的可控性及稳定性．     

原地跳跃的动力学问题

本文建立人体的四刚体模型,分析原地跳跃运动。将各关节角取作广义坐标,其中膝关节角作为控制变量,其变化规律根据实际跳跃过程的摄影记录确定。利用动力学方程确定其它关节角及蹬地力的变化规律,并计算离地时刻及相应的腾空高度。根据实际人体参数的数值计算结果可以解释原地跳跃运动的腾空高度与肌肉最大收缩力、爆发动及人体参数之间的关系。     

水压人工肌肉的压力控制与静态特性试验

水压人工肌肉与气动人工肌肉因介质压缩性差异,驱动控制过程和特性不同.为了实现对新研制的高强度水压人工肌肉的驱动控制并分析其静态特性,提出了新的水压人工肌肉压力控制回路,建立了测试试验系统.压力控制回路调压试验表明,在水液压比例节流阀10% ～ 90%输入范围内,水压人工肌肉驱动压力可实现较大范围的线性调节;静态试验结果表明,水压人工肌肉收缩量、驱动压力和输出力满足理论关系式.所研制的水压人工肌肉能够承受4 MPa的内部水压力和14 kN的负载拉力,通过静态特性试验及与现有静态模型比较分析,获取了模型参数,为水压人工肌肉机械关节的驱动与控制提供了条件.      

基于动力学和声学仿真的损伤伸缩缝跳车噪声特征

为将跳车噪声特征用于伸缩缝的健康监测,建立了无损和以路面破损导致伸缩缝钢筋外露为损伤特征的有损GQF-C型伸缩缝的仿真模型,采用动力学仿真获取车轮与伸缩缝跳车接触过程的加速度,再将加速度场在声学仿真中表征为声压,研究了不同跳车高度下不同点位麦克风采集到的声压分布,对比无损和有损伸缩缝噪声特征的差异。结果表明：无损和有损伸缩缝跳车噪声特征体现为声压幅值的差异,同时跳车高度也会影响噪声声压幅值,但相较于伸缩缝损伤引起的声压幅值变化影响小。此外,临近伸缩缝的麦克风测点位置对判定伸缩缝健康状态的影响较小。因此,利用跳车噪声可以实现伸缩缝的健康监测。