一种绳索驱动的仿下颌机构设计与分析

针对现有的仿下颌机器人仿生性不足,提出一种绳索驱动的仿下颌机构.首先,基于人体口颌系统冗余驱动特性、肌肉单向拉力的特性以及咀嚼肌附着点位置,进行仿下颌机构设计;该仿下颌机构采用6根绳索仿人体口颌系统的三组主要咀嚼肌(咬肌、颞肌和翼外肌),采用一对点接触高副仿人体口颌系统的颞下颌关节;然后,分析机构和推导运动学方程与雅克比矩阵;接着,为研究绳索的这种单向力特性与位形之间的关系,对该机构进行了力封闭空间分析;最后,在Adams中建立仿真模型,进行下颌功能运动(开闭运动、前后运动、侧方运动)的轨迹规划,分析绳索长度变化与人体咀嚼肌伸缩的相似性.     

仿生踝关节及其绳索传动机构的设计与实现

根据人体生理踝关节的结构特点,设计了一种具有空间斜交叉轴的仿生踝关节装置。该装置有小腿关节、踝关节和距下关节3个自由度。为减小踝部质量,将踝关节和距下关节的驱动电机安装在大腿上,采用绳索绕过膝关节传动至踝与距下关节,并将绳索在轮上固定,以达到限制各关节转动角度的目的。运用D-H坐标表示方法,通过仿真,计算分析了该机构的运动姿态空间,并与人体足部相关姿态参数进行了比较。表明该机构能够实现类似于人体生理踝部关节的运动功能。该机构可用在仿人机器人领域,也可为人体踝关节运动特性的研究提供参考。     

基于SEA的机器人仿肌弹性驱动关节研究

为了实现机器人的拟人运动,提高其对外部环境的适应性,基于串联弹性驱动器(SEA)驱动形式提出一种仿肌弹性驱动的机器人转动关节,以实现机器人在受迫振动或受冲击下的柔顺自调整运动。该关节机构参考人体肌肉-肌腱组织的Hill-type模型,采用具有对抗形式的主动弹性驱动和被动弹性牵制的设计方案,模拟肌肉收缩运动和功能,产生牵拉力以驱动机器人的关节。通过对该弹性驱动关节进行建模分析,得到其动力学描述方程,结合多次仿真测试中获得的系统运动特性曲线,在掌握其运动规律的基础上完成了其动力学性能评估。此外,针对关节机构具有的强弹性、低刚度特点,提出一种基于虚拟刚度补偿的控制方法,并应用在具有仿肌弹性驱动关节的二自由度机器臂上,实验结果表明其可行、有效。     

一种新型欠驱动拟人机械手的设计

设计了一种新型的高欠驱动集成化拟人机械手.仿人假肢手由4个电机驱动15个关节,其中食指和中指由一个电机通过安装在掌部的小型齿轮齿条差动机构驱动,无名指和小指分别由一个电机各通过一个安装在掌部的小型齿轮齿条差动机构驱动,拇指由两个独立电机驱动.手指采用了弹性交叉四连杆机构实现欠驱动控制,该手对于不同的抓取物体具有良好的形状适应性,且在部分手指运动受限的情况下具确理想的力分配特性.实验结果表明,该仿人假肢手可在肌电控制接口的控制下实现仿人灵巧操作.     

基于SMA驱动的仿尺蠖微型机器人

提出了一种形状记忆合金驱动的仿尺蠖微型蠕动机器人,该微机器人的柔性机构明显地提高了其移动能力,并且可使该机器人实现主动转弯。同时,创造性地利用四连杆机构改变输出力的方向实现了微机器人的摩擦自锁,保证了单向运动。阐述了微机器人的运动机理,对微机器人进行了动态特性分析,得到了其响应时间和输出位移。     

绳驱动仿人机器人下肢设计与仿真分析

仿照人体骨骼肌驱动,提出一种基于绳索驱动的新型拮抗驱动方式,采用一对电机带动绳索的方式对关节进行冗余驱动;基于绳索驱动方式完成仿人机器人下肢结构的设计;在给定的机器人运动轨迹下得出绳长的变化规律;利用逆动力学分析求解出机器人的关节力矩,采用优化方法求解出驱动关节两侧绳索的最优驱动力;最后利用ADAMS软件对绳索驱动机器人下肢进行动力学仿真,仿真结果验证了绳索长度驱动的可行性以及拉力计算的正确性。对于仿人机器人以及康复机器人的设计具有一定的借鉴意义。     

欠驱动机器人手指实验平台的设计

基于三关节绳索驱动的欠驱动机器人手指,设计了手指实验平台.该实验平台由平台机构、平台控制系统和VICON红外光点三维运动分析系统组成.平台机构采用海顿直线步进电机驱动导轨滑块,从而牵引绳索控制手指弯曲和伸展;平台控制系统采用DSPF2812作为主控制器,通过驱动器控制直线步进电机的转动;VICON红外光点三维运动分析系统采用6台VICON红外摄影机对标记点进行运动捕捉,其数据通过VICON资料处理器导出至PC端进行处理.实验平台可以对三关节欠驱动机器人手指进行抓取性能和运动轨迹的分析.     

绳索驱动腕部并联康复机构设计与逆运动学分析

针对现有腕部康复机构运动范围小,存在柔顺性和舒适性差等问题,提出一种新型绳索驱动、压缩弹簧支撑的柔性并联腕部康复机构。机构定平台、动平台由三根绳索和压缩弹簧连接,弹簧用来模拟腕骨与韧带复合体,起支撑并限制与掌骨相对应的动平台运动;动平台模拟掌骨末端,定平台模拟桡骨和尺骨末端;三根绳索模拟肌肉来驱动并联机构。考虑弹簧轴向位移以及柔性问题,基于有限转动张量法和力与力矩平衡分析方法,构建系统逆运动学数学模型,得到运动学和静力学联合求解的非线性方程组。通过对机构模型分析,完成0～75°下各绳索长度和拉力的数值求解。通过仿真与试验得到人体腕部生理运动空间和机构有效工作空间,验证了机构的合理性和分析方法的正确性。所提出的求解方法对康复机器人和绳索驱动并联机构设计具有积极的促进作用。     

介入手术机器人滑轮绳索系统传动特性的研究

针对介入手术导管机器人绳索运动过程中存在非线性摩擦力的问题,对滑轮-绳索系统传动特性进行了研究,利用经典Capstan方程对传动过程中绳索受力进行了分析,建立了摩擦力与包角的函数关系,并根据Power法则分析了摩擦力与材料接触特性的关系;利用拉力传感器对传动过程中绳索的输入力和输出力进行了测量,并通过改变包角大小对绳索系统摩擦力进行了实验,分析了传动模型的准确性。研究结果表明:滑轮绳索系统运动过程中摩擦力大小与包角及材料的接触特性有关,当采用高分子材料作为驱动绳索时,考虑到粘弹性变形,绳索受到的摩擦力较小,系统传动效率可到达90%,保证了力控制的精度。     

基于生物力学特性仿人机器人的研究

本文在介绍国内外仿人形机器人研究现状的基础上,基于人体舒适与疲劳的生物力学机理,分析了生物力学指标(肌肉硬度,肌电信号,血流特性)与人体各关节运动转角和人机接触面体压分布的关系,提出了人体潜意识动作姿态舒适度指标和人机接触界面舒适度指标,并依据这些指标对机器人的人体潜意识动作姿态的生成方法,路径规划方法以及本体构建中的运动机构设计与控制系统设计展开了讨论,对于国内基于生物力学特性的仿人机器人的研究具有推动作用.