人体下肢康复机构的研究与分析

本文以剖析人体下肢解剖学理论为依据,设计了一种基于混联机构原理的新型下肢髋、膝、踝关节运动矫正机构。该机构按照正常人体下肢基本尺寸范围,对下肢运动矫正机构的结构进行了数学建模并进行了运动学仿真分析,验证了该并联机构可以有效辅助运动功能障碍者恢复健康,并应用Pro/E强大的三维建模功能进行建模。该机构结构简单、工作空间较大、刚度大,适用于不同群体。     

下肢康复机器人研究现状

随着我国人口老龄化的增加,考虑到多种因素,残疾人口的总量也增加很多。考虑到这个特殊的群体,如何改善他们的生活对于挽救一个家庭的幸福尤为重要。很多科学家和研究机构都在致力于怎样帮助他们改善运动障碍。研究表明,康复训练对肢体运动功能恢复很有帮助。本文通过介绍国内外下肢康复机器人的研究现状,从控制方式、驱动方式和康复训练三个角度对现有的康复机器人进行分类,对康复机器人的进一步研究和发展非常有利。     

基于ANSYS Workbench的下肢康复机器人的有限元分析

考虑到下肢康复机器人机构在进行低速运动时,主轴可能会与带轮发生谐振,并且在人体施加的力作用下受压。建立主轴以及各零件三维模型并进行装配,导入ANSYS Workbench中进行线性静力学分析以及模态分析。对其进行应力应变分析,找到轴最大变形以及应力位置,为轴的强度设计提供理论依据。对总装配体进行模态分析,分析六阶模态,进行机械结构的分析改进,得到合理的机构。     

下肢外骨骼康复机器人的关键技术探究

下肢外骨骼康复机器人已经在医疗领域有了广阔的前景,是机器人领域的关注重点,但其结构是集合了驱动方式、传动方式、控制系统与人体康复学于一体的科学性应用。本文分析了下外骨骼肢康复机器人的关键技术,如基本方案与机构、计算机控制系统等,在此基础上提出了D-H模式并进行了公式推导,总结了目前应用的下肢外骨骼康复机器人的不足,提出了所需注重的领域和改进措施,旨为后续下肢康复领域与机器人多元化应用领域奠定基础。     

基于CATIA的下肢康复机三维模型设计

随着我国人口比例的变化,以及残疾人数的增加,由于年老或者疾病等原因造成的运动功能损伤也越来越多,这也使得康复设备的需求量增加。由于国内外研究的下肢康复机器人价格昂贵,体积笨重,不能适应普通家庭康复训练。本文结合现有的康复设备基础,按照人体工程学理论,设计计算合理的结构尺寸,并通过CATIA软件建立下肢康复机器人三维模型。     

6R拇指关节康复机器人工作空间仿真与分析

本文以剖析人手解剖学为理论依据,设计了一种新型6R串联拇指关节康复机器人机构。该机构按照正常人体拇指的基本尺寸范围,对拇指康复机构进行了数学建模。然后通过Matlab软件中的机器人工具箱模块——Robotics Toolbox建立仿真模型并验证参数正确性,最后运用蒙特卡洛法快速求出其工作空间。从而能够为拇指康复机器人机构的运动性能分析和轨迹规划等提供理论依据。     

可折展管道蠕动并联机构设计与运动仿真

为探索管道蠕动机构及其移动方式,设计一种具有折展能力的3-URU管道蠕动并联机构。该机构支链运动副R与U的空间位置关系能等效成Sarrus结构,可实现并联机构的折展,对折展原理和折展干涉进行分析,求得该机构折展比,并通过仿真验证其折展效果。应用螺旋理论计算该机构自由度,求解位置正解方程,并通过蒙特卡洛法求得该机构的工作空间。在管道内对机构进行蠕动步态规划,并利用ADAMS软件进行管道内的蠕动步态验证,得到两平台位移曲线和支链转角变化曲线。研究表明,该并联机构可实现管道内的蠕动,且折叠后体积较小。     

六腿机器人的典型步态研究

本文从稳定性、速度、负重3个角度对六腿机器人在同样占空比下的3中静态稳定性周期步态进行比较。对六腿仿生机器人的静态典型步态运动原理进行了分析,探讨了仿生六腿机器人的典型三脚步态行走规划,并对六腿机器人三角步态稳定性简要分析。本文的研究工作为六腿机器人在非平坦地面自由步态规划提供一定参考意义。     

助蹲助起下肢外骨骼的设计与研究

以人体蹲-起过程为研究对象,通过对人体蹲-起过程进行拉格朗日动力学建模,得到两者的髋、膝、踝关节力矩的动力学逆解结果。依据人体蹲-起过程的关节运动机理,参照人体工学设计要求,设计了一款辅助蹲-起下肢外骨骼,进而进行各关节仿生学结构设计和驱动系统设计。通过对膝关节驱动器的功率分析及静力学分析,确保辅助蹲-起下肢外骨骼在结构轻巧、可穿戴性、可靠性等方面均能满足辅助蹲-起下肢外骨骼的总体要求。     

自行车骑行状态的运动学与动力学研究

针对骑行状态的研究可分为下肢运动学和动力学两部分。骑行运动是一项整体协调性运动,需要依靠人体下肢运动才可达到稳定的骑行速度。通过建立人-车连杆模型,运用矢量方程解析法完成运动学方程推导,并对各个关节角度进行求解;运用牛顿-欧拉法完成下肢关节的动力学方程推导,并对下肢各关节力矩进行求解,对所建模型在ADAMS环境下进行仿真验证。     

基于折纸机构的下肢外骨骼关节设计

为了减轻外骨骼质量,便于使用者的穿戴,将折纸机构与下肢外骨骼相结合,设计了一款基于折纸机构的下肢外骨骼关节。首先利用可实现刚性折叠的三顶点折纸设计了外骨骼关节的基本构型,并确定了各折叠板的空间运动轨迹;然后根据折纸锁定原理结合关节基本构型对外骨骼锁定关节进行设计。该种类型的外骨骼关节不仅避免了棘轮、槽轮和液压等额外锁定装置的引入,还可以通过机构自身的结构实现运动与锁定两种运动效果,使得整体机构更加轻便,为下肢锁定外骨骼的设计提供了一种新的方案。     

外骨骼式下肢康复训练器的设计探究

由于传统的人工技术或者简单的医疗设备已无法解决患者和老人们的康复训练和健康需求。基于此,本文旨在研究一种外骨骼式下肢康复训练器,可以帮助不同的患者进行不同程度的主、被康复训练,并根据人体下肢运动的特征,提出了外骨骼式下肢康复训练器的设计思路,说明了康复训练器机构组成、工作过程及使用方法。     

基于Workbench的下肢腿部压力舒适性的有限元仿真

为了主观实验人体下肢在外力作用下的舒适程度分布规律和大小,以假人下肢为研究对象(控制单一变量),采用SolidWorks建立下肢模型,选择人体生物力学参数建立有限元Workbench模型;以绑带对人体下肢的压力为输入条件,对下肢腿部分别施加相应的压力后,下肢腿部的舒适度的应力范围是305Pa~2778.4Pa,应变范围是0.000 3577 6~0.008 644,变形量是0~0.501 26mm,得出在人体下肢有绑带压力作用下的应力应变分布状态和具体形变。通过有限元的仿真验证了绑带施加压力作用在下肢的分布规律和下肢腿部部位压力大小,为下肢康复机器人穿戴舒适性提供了必要参数。     

气动柔性关节仿生六足机器人步态规划与运动性能研究

采用自主研发的气动多向弯曲柔性关节设计了一种仿生六足机器人。该机器人外形类似蜘蛛,利用腿部柔性关节在气压下的形变进行驱动。针对机器人腿部运动的特点,采用三角步态法,规划了机器人的行进和转弯步态,进行了仿真和实验。依据关节形变机理,建立了机器人运动学模型,确定了本体和足部位置关系,分析了机器人的步距、转角和整体速度,并通过实验加以验证。利用3D运动捕捉系统进行了机器人运动学实验,获得了机器人足部工作空间,分析了在不同气压、步频和负载条件下机器人的运动性能。实验结果表明,按照规划步态,通过气压控制系统协调腿部运动,机器人可实现前进、平移和转弯等功能。该机器人最大运动速度为100 mm/s,可负载能力为0.5 kg。     

基于支撑多边形的四足步行机动平台静步态分析

静步态是步行机动平台的基本步态,静步态研究是进行其它步态研究的基础。阐述了静步态的参数和步态稳定性的影响因素。基于足底支撑多边形,分析了间歇静步态不同迈腿顺序下重心的最小调整次数,选择了一种适用于复杂环境行走的间歇静步态。同时,分析了协调静步态各腿的初始位置,选择了一种适用于平坦路面的协调静步态,并计算了稳定裕度。     

基于模型的四足机器人步态转换控制研究

为了解决基于模型的控制方法在四足机器人步态转换过程中稳定控制问题,本文在仿生学和机构学基础上设计了一款四足机器人样机平台,并推导了机器人单腿运动学模型。在足端可达工作空间内规划了机器人抬腿高度和迈步步长,利用理想的复合摆线轨迹,通过合理控制步态周期,提出了一种过渡段变周期控制方法,实现了步态转换前后定速度控制和变步长控制,保证了步态转换前后速度不变或可变。为了验证所提算法的正确性和稳定性,分别开展了单腿足端轨迹实验和整机步态转换实验。在完成整机运动控制的基础上,对比了基于模型的控制方式和基于中枢模式发生器的控制方式在四足机器人步态转换过程的应用。仿真和实验结果表明,在基于模型的控制算法下,四足机器人可以实现步态的平滑转换,且速度能伴随步长和周期的变化实现调节,满足了不同速度下的行走要求,为四足机器的运动控制提供了参考。     

ADAMS环境下多关节型双足步行机器人步态仿真与结果分析

本研究应用虚拟样机的设计方法,在仿真软件ADAMS中建立多关节型双足步行机器人下肢行走机构的参数化仿真模型,应用ADAMS软件下的五次插值函数对行走姿态进行了规划,添加外部环境参数进行仿真试验,通过分析仿真过程截图、关节位移曲线以及比对关节位移曲线和规划关节角,验证步态规划的有效性。后期物理样机输入运动控制程序进行现场实验,其结果与仿真结果基本一致,进一步验证了双足机器人三维仿真的正确性,说明本设计的机器人步态建模方法与行走仿真具有较强的工程实用性。     

(2-RPU+UPU)+(RR)混联机构末端约束和运动耦合分析

少自由度混联机构有特殊的末端约束形式,同时其末端六维运动参数存在高度耦合,而以往对此类机构的研究多针对并联和串联模块分别开展,导致混联机构的整机末端约束和运动耦合研究被忽视,此类机构的约束和运动分析存在缺陷。本文采用Grassmann-Cayley代数分析了(2-RPU+UPU)+(RR)机构的末端约束,基于该机构的约束方程建立了其末端运动耦合模型,并以此得到了该机构修正的运动学反解模型。末端约束分析结果表明(2-RPU+UPU)+(RR)机构的末端约束为一个螺旋(1H)型约束,其自由度形式为两转两移一螺旋(2R2T1H)型运动。运动耦合结果表明该机构6维位姿耦合关系表现为一个多元耦合方程,在给定其中的5个独立参数后,另一个参数可通过该耦合方程确定。本文建立的(2-RPU+UPU)+(RR)机构的约束分析和运动耦合模型可为少自由度混联机构的末端约束和运动耦合分析提供参考。     

中华绒螯蟹平面运动三维观测和步态分析

为了研究中华绒螯蟹在平面行走的步态,使用高速摄像机和三维运动分析软件建立了运动图像采集和分析系统.结果表明:中华绒螯蟹在行走时采用交替四角步态;相邻的两腿之间异步,相隔和对角线两条腿之间同步;各腿的负荷因数为(55.60±7.53)％,说明中华绒螯蟹通过增加支撑相使其身体在行走时更加稳定.     

并联式球面变胞机构及其完整雅可比矩阵

提出了一种球面变胞机构。该机构采用并联连接方式,由动平台、静平台、3个环形支链和1个中间变胞支链组成,通过变胞支链提供不同约束,机构可演变为正常构态和变胞构态两种机构形式。正常构态时,动平台相对静平台具有3个转动自由度,等效于3自由度球面机构;变胞构态时,动平台具有一个额外的径向移动自由度。以螺旋理论为基础,首先分析机构的自由度数目和性质;其次,构建机构的运动子矩阵和约束子矩阵,并将约束子矩阵和运动子矩阵联立,建立完整的6×6雅可比矩阵;最后,分析雅可比矩阵的秩,得到机构产生奇异位形的条件,研究奇异位形的类型,提出避免发生奇异的方法,为机构设计提供理论依据。