基于形状记忆合金的变刚度外骨骼设计与建模

为减轻变刚度驱动单元质量,缩小其体积,提出一种基于形状记忆合金(SMA)的变刚度主动元,单个变刚度主动元质量约为68.5 g.为精确控制外骨骼刚度,结合SMA本构模型、相变动力学模型、热平衡方程、输出方程,对SMA进行动态建模.为最大化满足人体运动需求,通过并行布置变刚度主动元的方式,结合导轨机构,构建轻质变刚度外骨骼...     

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.     

下肢外骨骼人机互连装置对关节内力的影响

下肢外骨骼能够帮助截瘫患者、偏瘫患者重获行走能力,但由于生理原因和装配原因,外骨骼关节与人体关节的转轴无法重合,导致人机间出现不良的交互力,进而会影响人体的关节、软组织内力。传统下肢外骨骼的人机互连装置无法解决人机关节转轴不重合带来的问题,该文设计了一种基于滑块导轨机构、可自适应补偿人机关节转轴偏差的新型下肢外骨骼人机互连装置,并分别对人体穿戴配备有本装置和传统装置的下肢外骨骼行走时摆动一侧人体下肢进行了静力学分析。计算结果表明:相比传统装置,新型装置能使人体关节内力更为平稳,并且可减小人体髋关节的内力:当人机关节转轴在矢状面内出现竖直偏差时,内力平均可减少2.45%;当人机关节转轴在矢状面内出现水平偏差时,内力平均可减少11.23%。该装置也可影响人体膝关节的内力,当人机关节转轴在矢状面内出现竖直偏差时,内力平均可减少13.68%;当人机转轴在矢状面内出现水平偏差时,内力反而平均增大23.48%。本文初步验证了该装置的可行性,它对降低人体髋关节和膝关节软骨、软组织处的磨损均有积极意义,从而可以改善使用者的外骨骼穿戴体验。     

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。     

基于迭代学习控制算法的下肢外骨骼机器人跟随特性

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,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。     

在摆动相中用于下肢外骨骼跟踪人体踝关节轨迹的方法

为实现外骨骼摆动腿踝关节对人体踝关节运动轨迹的跟踪,建立了外骨骼摆动腿逆运动学模型与卡尔曼滤波预测模型,并在外骨骼摆动腿踝关节处设置人机位姿误差传感器,同时进行了人体步态实验.仿真中以实验测取的人体踝关节相对于其髋关节的运动轨迹作为外骨骼踝关节的跟踪对象,并依此计算外骨骼踝关节处人机位姿误差.采用卡尔曼滤波器对外骨骼摆动腿的髋、膝关节位置进行预测,再利用外骨骼逆运动学模型对预测结果进行校正.结果表明:该方法能良好地实现外骨骼摆动腿踝关节对人体踝关节的运动轨迹跟踪,并且卡尔曼滤波预测能明显改善跟踪的滞后性,同时仅需检测外骨骼踝关节处的人机位姿误差也有助于简化人机之间的传感器布置.     

评价指标体系下的外骨骼支撑相控制效果

 针对一种下肢外骨骼机器人,设计了一种基于步态识别的阻抗自调整控制方法,并通过实验验证,与传统的位置控制、阻抗恒定控制方法进行了对比分析。通过建立一套基于雷达图的指标体系,对不同的外骨骼支撑相控制实验结果进行了科学评价,发现阻抗自调整控制能够保证外骨骼在支撑相不同阶段满足不同的运动需求,与传统阻抗控制方法相比具有最优的总体运动效果。     

无动力储能式截瘫助行外骨骼弹簧刚度优化

无动力储能式截瘫助行外骨骼为不同身高、体重和损伤情况的截瘫患者提供精准化助行,储能弹簧作为外骨骼标准元件,其刚度为固定值。该文针对该外骨骼储能弹簧刚度参数选择问题,建立了截瘫患者穿戴无动力储能式截瘫助行外骨骼单侧下肢从站立中期到站立后期动力学模型,得到人体髋关节力矩与身高、体重、髋关节角度的关系,并提出以人体髋关节和弹簧力矩之和绝对值的积分为优化目标的弹簧刚度参数优化设计方法。研究发现:不同身高、体重组合情况下,外骨骼弹簧1刚度k1满足正态分布,弹簧2刚度k2不满足正态分布;k1和k2的中位数3 180和1 279N/m作为无动力储能式截瘫助行外骨骼储能弹簧刚度参数,适用于身高和体重在百分位数P1~P99间的患者。     

穿戴式外骨骼康复辅具临床应用现状分析

 穿戴式外骨骼康复辅具是一种可穿戴于人体上的智能化生机电控制系统,该系统通过外骨骼与人体肢体间力-位移的交互实现人机动作的耦合,可辅助人体实现某些特定功能,在临床康复治疗领域具有重要应用前景。上肢外骨骼和下肢外骨骼是目前常见的穿戴式外骨骼。上肢外骨骼包括肩肘手臂外骨骼和手指外骨骼,在康复训练中主要应用于中风后患者肩肘关节及腕手关节运动功能的康复训练。下肢外骨骼能够辅助下肢麻痹患者完成站立及运动,在下肢运动功能的康复治疗方面具有巨大的应用潜力。本文综述了目前常见的穿戴式外骨骼康复辅具的特点及其临床应用现状,并总结了目前国内外可穿戴外骨骼的研究进展。     

康复用下肢外骨骼结构设计与仿真

针对现有康复用下肢外骨骼普遍质量偏重,人机协调性较差的问题,根据人体行走步态特征设计了一套康复用下肢外骨骼.选用伺服电机和滚珠丝杠的直线执行机构,运动方式更接近于人体下肢骨骼运动;大量使用碳纤维和航空铝材料,降低了装置的质量;设计无级可调结构,保证了人机协调性.动力学仿真表明,人体穿戴该装置后,能够按照正常的步态完成行走过程,该装置的设计合理.     

基于欠驱动并联索机构的肩关节助力外骨骼

并联索驱动助力外骨骼具有与人体兼容性好、运动范围大、自由度多等优点,但往往需要多个电机驱动多根绳索,增大了驱动结构的重量和能耗.以往的设计中无法实现在减少电机个数的同时实现多绳索的力控与多自由度的助力.该文提出一种基于欠驱动并联索机构的肩关节助力外骨骼,采用凸轮和弹簧来实现搬运工作时肩关节的三自由度助力.根据给定的手臂...     

下肢外骨骼机器人在运动康复中的协同性研究

运动员在日常训练或在比赛中出现的损伤给运动员造成了巨大的痛苦.文章研究一种可以帮助受伤运动员进行康复训练的下肢外骨骼机器人,首先,分析人体的运动过程,然后通过大量不同人体尺寸下的步态数据分析,掌握人体步行各个循环阶段下肢各关节的运动学规律,并对下肢外骨骼机器人用拉格朗日法建立了动力学模型.其次,根据建立的动力学模型和下...     

电磁式柔性直线驱动器概念设计与参数优化

设计了一种结构紧凑可实现力位解耦控制的电磁式柔性直线驱动器.该柔性驱动器主要由变刚度装置和位置调节装置两部分组成,其中变刚度装置采用双线圈-永磁铁对称布置结构,通过动态改变线圈中输入电流的大小调节电磁力,从而实现变刚度输出.建立了通电线圈周边磁场的数学模型,并采用等效磁荷法推导出永磁铁在通电线圈磁场中所受电磁力的显示表达式.在此基础上,分析了设计参数对电磁力的影响规律,完成了变刚度装置的参数优化设计.通过虚拟仿真分析了变刚度装置的力-位移和力-电流特性,并将实验结果与理论结果进行对比,验证了变刚度装置力-位移和力-电流特性的准确性和有效性.结果表明,所设计的柔性直线驱动器能够实现变刚度控制.     

外骨骼机器人柔性变刚度驱动器设计

关节驱动器是外骨骼机器人的核心组成部分,目前传统的刚性驱动器的缺点是：体积大、能耗多以及无法避免外界冲击。为此该文提出一种全新的柔性变刚度驱动器,其基于弹簧的刚度控制,并对此柔性机构进行了理论验证,结果表明全新的柔性变刚度驱动器很好地解决了传统刚性驱动器的主要缺点。     

助力型下肢外骨骼机器人现状及展望

 助力型下肢外骨骼机器人是模仿人体下肢运动、增强穿戴者运动能力的智能机器人装置,可以在灾难现场救援、野外施工及军事用途等车辆无法通行的环境中发挥作用。通过分析国内外下肢助力型外骨骼机器人的研究现状,指出目前国内研究仍处于理论分析和实验室测试阶段。提出了助力型下肢外骨骼机器人研究的关键技术,并对助力型外骨骼机器人的发展趋势进行了展望。     

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.     

负重型下肢外骨骼机器人机构研究与仿真

设计兼顾人体运动灵活性与有效承载能力的下肢外骨骼机械结构,是负重型下肢外骨骼改善人机协同性、提高承载能力的关键技术之一。针对华东理工大学设计的外骨骼机器人"ELEbot"的结构进行研究并仿真。这种结构能够根据穿戴者步态的变化,引起自身结构的变化,进而改变下肢外骨骼的空间力闭环,使外骨骼满足不同步态下的功能特性。通过Matlab中的simmechanics模块对建立的模型进行仿真分析,得到人体下肢末端的运动空间,并与正常人体的运动空间比较,得出两者匹配的结论,验证了该结构的可行性。     

单兵外骨骼结构与运动分析

单兵外骨骼是一种通过穿戴在士兵身上,提高人体负荷和速度,含有动力源的机械装置.由于可以携带更多的重物,并辅助加快运动速度,因此在现代战争中,如长距离行走、运送给养、防护等方面,应用前景巨大,能有效提高士兵生存几卒和作战效率.本文通过分析机械外骨骼技术的结构和运动,探讨特该技术应用于现代单兵装备的理论基础.     

变刚度悬丝支撑微纳测头的结构参数优化与动态特性分析

构造了一种基于悬丝约束支撑的变刚度微纳测头。利用压电装置驱动柔性机构变形,改变悬丝所受的轴向张紧力及横向刚度,进而改变测头约束支撑机构的整体刚度。通过正交试验法优化测头的各项结构参数,确定最优尺寸。基于有限元方法,仿真验证测头的各向同性、灵敏度、固有频率及瞬态响应等性能。通过仿真得到测头刚度关于悬丝轴向伸长量的变化曲线,结果表明测头具有一定的变刚度性能。提出的变刚度测头丰富了现有测头的结构形式,研究成果对该类型结构形式的测头的实际应用奠定了前期基础。     

单作用缸驱动的负重外骨骼容积调速液压动力单元分析

负重外骨骼动力单元为外骨骼工作提供动力,要求响应迅速,工作稳定,是整个外骨骼系统长时间稳定可靠工作的关键部分。设计了一种单作用缸驱动的负重外骨骼容积调速液压动力单元,结合人体走行步态对液压动力单元的作用机理进行了分析。为研究负重外骨骼单作用缸的负载组成,建立了负重外骨骼走行过程中支撑态时的动力学方程,为负重外骨骼油缸负载的加载提供了理论依据。为了准确模拟负重外骨骼油缸负载,使仿真结果更加可靠,在ADAMS建立负重外骨骼单腿模型,在AMEsim建立动力单元液压系统模型,通过AMEsim与ADAMS联合仿真对该液压动力单元进行了理论分析,结果表明设计的容积调速液压动力单元响应快,单作用缸运动稳定,能满足外骨骼的使用需求。