肢体协调运动康复机器人的机构设计与实验

针对临床上缺少一种肢体协调运动康复训练设备的现状,研制了一款适用于偏瘫患者个性化训练的上下肢协调运动康复机器人.首先,在探究正常步态上下肢协调运动规律的基础上,选择以肩、膝关节角度协调变化规律作为机器人的设计目标;然后,基于五杆变胞机构设计了康复训练机构及主/辅传动链,并对训练机构进行了运动学分析;最后,在样机上进行了实验,结果表明该机器人能够满足设计目标.     

下肢康复设备实现等速训练方法的研究

针对临床上缺少下肢关节等速康复训练设备的现状,提出了一种能够让末端执行式康复训练设备实现髋、膝关节等速训练的方法。首先,根据等速训练要求,规划下肢关节角度运动曲线。其次,在末端执行式康复机构的基础上结合使用者的实际康复需要在矢状面内建立人-机模型,分别进行了运动学正反解的分析,对能实现髋、膝关节等速训练要求的曲柄运动规律进行了探索。利用软件对得到的曲柄控制规律进行了仿真分析,其结果验证了该控制规律的可行性。该研究为等速康复训练设备的样机研制奠定了理论基础,也为其他机器人的控制提供了参考。     

基于边际谱熵的肌肉疲劳实时评估方法研究

肌肉疲劳是一种复杂的生理现象。针对利用表面肌电信号实时评估肌肉疲劳,要求疲劳指标兼具快速、可靠、抗噪的问题,提出基于边际谱熵的肌肉疲劳实时评估方法。首先,利用不同数据长度的确定性周期信号和高斯白噪声分析了边际谱熵快速性与数据长度稳健性;其次,利用10名受试者握力持续静态收缩状态下从100%MVC下降到50%MVC时桡侧腕长伸肌的肌肉疲劳信号,分析了边际谱熵评估肌肉疲劳的可靠性与应用于不同个体的稳定性;最后,在某一受试者肌肉疲劳信号中加入高斯白噪声和心电噪声考察了边际谱熵的抗噪性。实验结果表明,边际谱熵与近似熵和中值频率相比计算快速,数据长度稳健性更优;线性拟合优度较佳(0.46±0.14),能可靠地评估肌肉疲劳;斜率变异系数较低(30.30%),对不同个体稳定性高;加入高斯白噪声和心电噪声后边际谱熵拟合优度变化率较低(分别为34.39%和3.78%),具有良好的抗噪性。因此边际谱熵兼具快速、能可靠评估肌肉疲劳以及抗噪等优点,为实时评估肌肉疲劳提供一种新方法。     

一种同/异步四肢联动康复机器人的研究

为提高偏瘫患者健、患侧肢体协调运动能力,研制了一种新型坐式单驱动四肢联动康复机器人,它能够在主被动模式下为偏瘫患者的肢体提供同异步协同训练。基于平面七连杆变胞机构设计了一种可实现四肢协调运动的训练机构,通过传动系统调节两侧训练机构曲柄的相位差,实现左右两侧肢体同步或异步联合运动;在矢状面内建立人-机模型及训练机构进行运动学分析,从理论上证明该机构能够实现四肢联动的可行性;基于智能移动终端和微控制器开发了上下位机控制系统,并在样机上进行了试验,结果表明试验者在机器人作用下能够实现:肩关节-16.9°~15.1°、膝关节121.5°~172.5°的上下肢协同运动;0~6 r/min速度范围的同/异步被动训练和61.82~227 N足底压力范围的异步主动训练;同/异步训练模式之间可自动切换。     

泥水盾构刀盘开口率设计影响分析与研究

结合京沈客专京冀段十三标望京隧道工程实际,对刀具配置基本相同的中铁297、298号盾构,刀盘盘面采用了两种不同的开口率设计方案,中铁297号刀盘采用辐条式设计,刀盘开口率约49%;中铁298号采用辐板式设计,刀盘开口率约41%。对比隧道左右线掘进参数,中铁297号掘进效率略优于中铁298号。通过工程验证和理论分析,泥水盾构刀盘开口率没有上限要求,而且开口率越大,其刀具磨损情况相对较优,掘进效率相对较好。     

一种新型TBM清渣机器人机构设计与试验

隧道底部积渣清理是TBM施工中钢拱架立拱前的必备环节。随着对支护质量、施工效率、安全性要求越来越高,传统的人工清渣越来越难以满足施工要求,清渣机器人是破解这一难题的重要手段。首先,分析隧道底部积渣分布情况与环境结构特点,进行新型机器人机构设计;其次,基于Denavit-Hartenberg（D-H）参数法建立其连杆坐标系,进行正逆运动学计算,给出了末端位姿矩阵表达式和逆运动学解析解,并进行工作空间计算和分析,结果表明机器人能够实现3830mm的作业深度和±45°的作业范围;基于拉格朗日方程建立其动力学模型,采用五次多项式进行关节空间轨迹规划,并将规划的位移、速度、加速度代入动力学模型,获得关节驱动力矩仿真曲线,为摆动缸、直线油缸等驱动件的选型提供依据;然后,以单关节位置控制为例,进行积分分离PID控制器设计,与传统PID相比,将超调量降低18.7%,解决位置误差累积引起的关节抖动问题;最后搭建了隧道底部积渣清理试验平台,并进行隧道底部积渣清理实验,结果表明,该清渣机器人作业周期为53s,可作为敞开式TBM施工过程隧道底部积渣清理的有效解决方案。     

基于步态规律的康复训练机器人机构设计与分析

针对目前康复训练机器人的训练轨迹现状,研制了一款适于偏瘫患者使用的轨迹可变的康复训练机器人。首先探索人体正常的步态规律,结合偏瘫患者所需的步态训练运动轨迹特点,提出了基于四杆机构实现固定步态运动轨迹的设计思路,并进行了仿真验证;在此基础上,针对四杆康复训练器难以满足不同患者、不同康复阶段个性化训练需求的矛盾,分析影响四杆机构运动的主要因素;综合分析结果,设计了一款基于二自由度五杆变胞机构的康复训练机器人,并进行了样机制作及试验验证。试验结果证明,所设计的康复训练机器人能够满足偏瘫患者个性化训练要求。     

基于STM32微处理器的光栅信号处理方法的研究

在三维移动平台运动控制系统中,STM32微处理器作为主控制器实时地处理光栅尺反馈信号和发送相应指令。由于微处理器中计数器的位数和计数方式,不适宜在大行程三维移动平台中应用,针对这一缺陷,给出了扩展计数器位数和辨向的方法,探讨如何选择合理的查询周期,延长光栅尺的测量长度,实现在平台上的应用。实验证明:该方法计数准确、可靠性高,满足光栅尺信号的处理要求。