关于PMA驱动的手指关节半径优化问题的研究

提出在气动人工肌肉驱动的关节系统中存在一个最优关节半径,使得对同一系统输出转矩达到最大. 通过分析气动人工肌肉静态特性模型,推导出关节静特性模型. 改变气动人工肌肉的结构参数或状态参数进行仿真,得到关节半径变化与关节输出转矩之间的关系,并计算出最优关节半径. 关节转角越大,最优关节半径越小;肌肉越长,最优关节半径越大,肌肉的直径对最优关节半径影响不明显. 该分析方法与结果对气动肌肉驱动的灵巧手的结构设计起到有效的指导作用.     

气动人工肌肉驱动关节PID位置控制

气动人工肌肉是一种由气压驱动的收缩型气动执行器,由气动人工肌肉驱动的人工关节具有重量轻、柔顺性好等特点.由于人工肌肉存在着明显的非线性、滞环大等缺点,对其位置控制有一定的难度,必须采取适当的控制策略才能得到较高的控制精度.本文介绍了一种以人工肌肉驱动关节为控制对象的位置控制系统,通过PID控制算法实现位置闭环控制.实验结果验证了控制策略的有效性,为气动人工肌肉驱动关节的应用打下基础.     

基于PSO的气动人工肌肉驱动关节优化的研究

提出在气动人工肌肉驱动的关节系统中,存在一个最优关节设计,包括关节半径、肌肉附着点最优位置等,使得对同一系统输出转矩达到最优.通过分析气动人工肌肉静态特性模型,推导出关节静特性模型.改变气动人工肌肉的状态参数进行仿真,得到关节半径变化、肌肉附着点变化与关节输出转矩、收缩量之间的关系,并利用PSO计算出最优关节半径与肌肉附着点最优位置.此分析方法与结果对气动肌肉驱动的仿生手臂的结构设计起到有效的指导作用.     

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．     

水压人工肌肉三自由度关节试验系统设计

根据人体肩关节的运动机理,设计了串并联混合式三自由度水压人工肌肉机械关节.参照人体肩关节输出力矩范围,设计了机械关节输出转矩,计算确定与机械关节相匹配的水压人工肌肉参数.根据水压人工肌肉在不同工作压力下的力位移特性,分析关节的转角转矩关系.设计并搭建了三自由度关节试验系统,该系统在承受一定力矩的情况下可实现三自由度回转运动,为深入研究水下作业机械手的运动控制、操纵性能提供了条件.      

智能控制气动人工肌肉座椅减振特性研究

以Mckibben型气动人工肌肉为履带式工程车辆座椅的缓冲执行器,建立了三自由度座椅主动缓冲减振模型;以白噪声模拟路面输入,采用智能BP神经网络PID控制对座椅的减振特性进行研究.并以座椅加速度和位移的最大值、最小值、标准差三项指标进行对比分析.仿真结果表明,在选定的3种工况下,Mckibben型气动人工肌肉缓冲座椅较...     

双驱动型单向弯曲柔性关节弯曲特性

针对气动柔性关节在低气压下弯曲角度受限的问题,采用两个人工肌肉作为动力源进行驱动,设计了一种新型气动柔性关节.该关节由两个人工肌肉并联而成,具有1个自由度,能实现较大的弯曲变形.给出了关节的结构功能和工作原理,基于力/力矩平衡原理分析关节的弯曲特性,搭建试验系统研究关节的弯曲角度.理论分析和试验结果表明:双驱动型单向弯曲关节在低气压下也能实现较大的弯曲角度,关节的弯曲角度与气压呈非线性关系,且随关节结构参数的改变而改变.     

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.      

类人胶原蛋白-钙螯合物的制备及相关研究

为了制备安全性高且补钙性能优良的补钙制剂,以水体系合成法制备类人胶原蛋白（human-like collagen, HLC）-钙螯合物,探究体系pH值和原料配位比对钙螯合率的影响,并采用紫外-可见吸收光谱和傅立叶红外光谱对制备的类人胶原蛋白-钙螯合物进行分析.确定的最佳工艺条件为：体系pH值5．0,且HLC与CaCl2的质量比10∶1.光谱结果显示：类人胶原蛋白分子和Ca2＋之间存在相互作用,且制备的钙螯合物是一种异于HLC的新化合物;羰基和亚氨基参与HLC分子与Ca2＋间的螯合反应,且钙螯合物保持类人胶原蛋白分子原有的α-螺旋结构.研究结果为类人胶原蛋白-钙螯合物的大规模制备和进一步应用开发提供了理论依据和研究基础.     

正常青年人行走步态的实验研究

以VICON步态分析系统对5名年龄身高体重均相近的正常青年人的常速行走步态进行了实验研究.得到了青年人常速行走步态的基本参数,给出了关节角度的统计曲线,并对单支撑期内各关节角度进行了分析.比较了左右两侧关节角度的差异.结果表明,正常行走左右两侧关节角度存在着差异,以左右侧关节角度差异度结合时相对称性指标可以更合理地评价步态的对称性.单支撑期内关节角度范围为假肢设计及正常人步态的模拟提供了参考.     

简化太极拳运动对大学生膝关节稳定性的影响

使用关节测角器对操练一遍简化太极拳的３０例健康成年男性的膝关节角度进行测定⒚发现运动中膝关节角度比运动前０°位减少,即双膝处于半蹲功能位⒚这可能是简化太极拳增强膝部肌群特别是股四头肌力量和膝稳定性的主要运动学机理⒚还发现膝关节角度基本不受大腿长、小腿长的影响,提示练拳者经常进行太极拳锻炼可增强膝部肌群的力量和膝稳定性     

股四头肌表面肌电及髌股关节受力在不同角度静蹲时的比较

比较在不同角度的静蹲练习中股四头肌表面肌电的变化和髌股关节面受力情况,寻找膝关节功能恢复与强化的科学静蹲练习角度。选取30名健康男性大学生,分别进行屈膝30°、45°、60°的静蹲练习,通过表面肌电仪和三维动作捕捉分析系统采集每位受试者静蹲时的肌电参数及运动学参数的变化特征;并借助力学原理计算分析得出髌股关节的受力。结果:45°静蹲时,股四头肌表面肌电的i EMG值最大;各角度静蹲时,股外侧肌的放电量最大,股直肌最小;静蹲过程中股四头肌的MPF、MF值都呈降低的趋势,但在静蹲45°时MPF、MF值下降最快;髌股关节受力随着静蹲角度的增加而增大。说明在45°静蹲时,股四头肌最容易达到疲劳,锻炼效果较佳,是静蹲练习的适宜角度;其中股外侧肌是最主要的工作肌。建议髌骨劳损患者在做静蹲练习时根据自身的疼痛感觉在30°~60°的范围内进行训练,而应避免大于60°的静蹲角,以免受力过大造成二次损伤。     

不同间距和倾角的岩石节理对TBM滚刀破岩的影响

在隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)开挖过程中会遇到表面节理条件不同的围岩,影响TBM操作参数的选取和施工效率。为研究节理条件对滚刀力的影响,本研究设置了三种岩面切缝方案模拟不同间距和角度的节理岩石进行线性切割试验,观察岩面破坏情况,收集岩渣并记录滚刀破岩的三向力和振动信号,从岩体破坏、刀具振动情况分析贯入度、切缝的间距和角度对滚刀破岩效果的影响。结果表明：滚刀法向力和滚动力均随着贯入度的增大而增大;切缝间距400 mm比间距200 mm的岩样所需的破岩力更大,但是破岩效果较差;斜切缝岩样相比平行切缝岩样所需破岩力更低而破岩效果较好。在此基础上本研究利用多元线性回归方法建立了滚刀力预测模型,具有较高的预测精度。     

斜弯独塔混合梁斜拉桥参数敏感性分析

为研究斜弯独塔混合梁斜拉桥在成桥状态下受结构设计参数的影响程度,对结构设计、施工监控和关键控制量制定等提供参考,以张家口纬二桥为工程背景,建立有限元模型。基于结构参数敏感性分析的摄动原理,引入敏感度分析指标,选取塔梁固结处弯矩值、桥顶纵向位移值、背索索力、主梁最大挠度为控制目标,对桥梁钢混结合段位置、桥塔局部温度荷载、斜拉索初拉力和背索竖向倾斜角度等结构参数进行敏感性研究。分析结果表明：桥梁钢-混结合段位置、斜拉索初拉力、背索竖向倾斜角度对斜弯独塔混合梁斜拉桥主梁挠度和桥塔线形影响较大。其中,混凝土梁和钢梁的跨度比变化15.73%,塔顶纵向位移、主梁最大挠度将分别变化30.3%和29.4%;桥塔局部温度荷载主要影响此类桥塔的纵向变形,对桥塔受力敏感度较低;背索竖向倾斜角度对斜弯独塔混合梁斜拉桥影响最为显著,背索竖向倾斜角度变化7%,塔顶纵向位移较初始位置最大变化也达到205.8%。     

推力大行程气动柔性驱动器及其特性

由于Mckibben气动肌肉难以满足推力和大行程输出的要求,该文研究开发了一种新型推力大行程气动柔性驱动器。利用扁平弹性管的螺旋叠加结构实现了柔性驱动器的大行程及推力驱动,利用中心轴导向和加强网筋裹覆技术以提高驱动器直线运动重复精度与工作寿命,建立了该驱动器驱动力模型,对该柔性驱动器工作特性的试验研究结果表明:驱动器输出推力随供气压力增大而增大,随工作长度增大而减小。当供气压力为0.3 MPa时,被测驱动器最大驱动推力为320 N,最大伸长变形率达120%以上。     

犁式滑雪转弯膝关节软骨有限元分析

随机挑选200名实验对象,记录他们的基本信息、关节角度和滑行速度,对其中181个有效数据进行分析.根据1名志愿者的MR,CT数据建立了膝关节140°软骨与骨的三维模型.根据运动学分析结果和膝关节解剖学结构定义载荷及约束,在Abaqus 6.14中得出转弯膝软骨应力集中出现的位置.研究结果表明:体重过大、速度过快时应适当增大转弯半径以减少向心力对膝关节软骨施加的应力;犁式转弯的过弯速度应控制在3 m/s之内.     

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。