下肢外骨骼仿生驱动器的设计与仿真

提出了一种新型仿生驱动器设计方案,用于下肢外骨骼的刚性驱动和柔性驱动模式切换,模拟人体步行过程中下肢肌肉的工作特性。首先,基于仿生特性和助力需求,设计驱动器对应的机械结构,同时介绍了驱动器工作模式;对驱动器进行动力学建模,分析不同的系统参数对系统的影响;最后,建立虚拟样机模型,利用ADAMS进行运动学仿真,仿真结果表明驱动器能够实现人体运动有效助力,验证了模型的合理性。     

一种多自由度可调节下肢康复外骨骼的设计与仿真

针对下肢受损、脑卒中等患者的康复训练,设计了一款多自由度可调节下肢康复外骨骼,利用丝杆机构代替传统腿部结构,并在腰部设有转动模块,能更好地实现人机协同。采用拉格朗日方法建立下肢外骨骼动力学模型,并计算了理论转矩;构建了下肢康复外骨骼模型,利用Ansys和Adams软件分别进行了有限元仿真和外骨骼运动学/动力学仿真。结果验证了结构设计的合理性,为后续下肢外骨骼制造与电动机选型提供了依据。     

仿生关节驱动器动力学分析

传统的"电机+转换机构"及改良电机的关节运动实现方式,难以满足现代关节应用工程对关节运动越来越高的性能要求。本文模拟生物关节简洁紧凑的结构和肌肉纤维收缩联合式驱动机理,建立一个仿生关节驱动器;重点解决仿生关节驱动器的结构优化仿生设计和动力学仿真,分析仿生关节驱动器在空载情况下的运动形式、动力学性能和接触力。仿真结果表明:仿生关节驱动器具有优秀的运动和驱动性能,可望解决未来机器人、主动假肢、仿生机器、探测操纵装备等高新应用工程对高性能关节驱动器的需求。     

下肢外骨骼康复机器人动力学仿真与分析

下肢外骨骼康复机器人可以有效提高下肢运动功能受损患者的康复效率,减轻康复医师的工作量。设计了一款气动肌肉驱动的下肢外骨骼康复机器人。为探究外骨骼机器人运动状态和各关节运动机理之间的关系,采用拉格朗日方程对下肢外骨骼进行动力学建模,将建立好的虚拟样机模型导入Adams中进行动力学仿真,得到下肢外骨骼康复机器人在不同运动状态下各关节在运动过程中转矩的变化情况,对仿真数据进行分析,验证了数据的正确性,为下一步实物样机制作及驱动器的选择提供了理论依据。     

外骨骼机器人结构设计与动力学仿真

对外骨骼机器人进行了结构设计,重点介绍了外骨骼机器人的驱动器设计和工作原理。通过ADAMS动力学仿真,得到了外骨骼机器人髋关节、膝关节的动力学参数,分析了仿真结果的正确性,为外骨骼机器人的结构设计提供了可靠的依据。     

基于OpenSim人机耦合仿真的外骨骼设计方法

针对传统外骨骼研发中普遍忽略外骨骼对人体作用的缺陷,提出一种基于OpenSim开源生物力学仿真平台的外骨骼设计方法,以提高外骨骼的安全性和有效性。将外骨骼机械本体嵌入人体肌肉骨骼模型中进行耦合仿真,分析在外骨骼助力下人体特定部位关节肌肉的状态;在仿真平台中修改外骨骼的结构参数,观察其对人体助力的影响,不断迭代改进,最终得到外骨骼产品;以踝关节保护器为例,阐述外骨骼设计方法的流程。仿真分析结果表明：使用该方法设计的踝关节保护器能使人在30°斜坡上竖直着陆时脚踝距下关节内翻角度减小34%。     

基于Adams用于康复可穿戴上肢外骨骼运动学分析及仿真

为了协助上肢功能受损的肢体残障人士,开发了一种新型的外骨骼型机器人,称为上肢运动辅助机器人外骨骼,以减轻日常上肢运动并为患者提供有效的康复治疗。首先,在人机工程学上对整个可穿戴机器人进行设计建模。通过对外骨骼上肢运动学模型,建立D-H坐标,并应用拉格朗日法对其进行了动力学分析,求解出各关节的理论驱动转矩值。应用动力学分析软件Adams对机器人进行仿真,通过规划末端与能动轨迹和速度设定,得到各关节的转矩、速度、加速度的变化情况,从而逆向验证了动力学模型的正确性,为进一步优化机器人打下了基础。     

创伤手指康复外骨骼手系统的设计

在分析人手生物学特性的基础上,提出了一种新的外骨骼式机械手,用于创伤手指的术后康复治疗。基于模块化思想设计了外骨骼手机构本体,该外骨骼手可以适应不同人手长度,能够驱动手指进行独立的弯曲和内收/外展康复运动;康复过程要求外骨骼手能够实时反馈手指关节的角度和力信息,同时保证康复力始终垂直作用于指骨以避免损坏关节周围的软组织。对外骨骼手关节单自由度和二自由度构型进行了分析,建立了外骨骼手的运动学模型,给出了外骨骼手的运动学和动力学方程。以ARM微处理器为核心,建立了基于SPI总线的外骨骼手控制系统。最后,进行了外骨骼手的运动学和动力学仿真验证及食指弯曲方向康复实验研究。实验结果表明,创伤手指康复外骨骼手系统康复原理和方法正确可行,实验的重复性误差5%,表明外骨骼手系统能够满足创伤手指康复要求。     

人体下肢康复外骨骼机器人仿真分析与实验

为了加快人体下肢损伤的康复速度,防止下肢瘫痪者肌肉萎缩,设计了一个高效实用的下肢康复外骨骼机器人。通过研究人体运动机理以及收集人体各关节运动数据,以舒适、高效及适宜不同体型人群为目标建立外骨骼的3D模型,并推导出下肢外骨骼的D-H数学模型公式,建立髋关节,膝关节,踝关节的位姿坐标方程。以ADAMS软件为基础进一步对外骨骼机器人进行关节受力和步态合理性仿真,为实物的搭建提供可行性依据。最后搭建样机实验平台验证外骨骼设计的合理性。     

创伤手指康复外骨骼手系统研究

在分析了人手生物学特性的基础上,提出了一种新的外骨骼式机械手,用于创伤手指的术后康复治疗。基于模块化思想设计了外骨骼手机构本体,该外骨骼手的特点是可以适应不同人手长度,能够驱动手指进行独立的弯曲和内收/外展康复运动,康复过程中为避免对关节周围软组织的损坏能够保证康复力始终垂直作用于指骨,且能实时反馈手指的关节角度、力信息。对外骨骼手关节单自由度和二自由度构型进行了分析,建立了外骨骼手的运动学模型,给出了外骨骼手的运动学和动力学方程。以ARM微处理器为核心建立了基于SPI总线的外骨骼手控制系统。最后,进行了外骨骼手的动力学仿真验证和食指弯曲方向康复实验研究。实验结果表明,外骨骼手系统可靠,康复原理和方法正确可行,能够满足创伤手指康复要求。     

手部功能康复外骨骼的结构设计与分析

由脑卒中、脑外伤等原因导致的偏瘫患者的手部康复训练资源十分稀缺,针对这一现状,本文基于日常抓握动作中各手指关节协同相关性及其重要程度、结合各手指关节阻力矩进行康复外骨骼设计,该手部功能康复外骨骼共具有10个主动自由度,能够实现四指MP关节内收外展、四指MP与PIP关节耦合屈曲伸展、大拇指CMC关节对向运动及IP关节独立屈曲伸展运动等关节动作并具有充足的驱动能力,能够实现柱状抓握、球状抓握、盘状抓握、对捏等常用生活功能抓握活动的全手指功能康复。     

一种多功能下肢外骨骼机器人的设计与仿真分析

针对老年人以及下肢运动障碍患者的康复训练和运动代步的需求,设计了一种多功能下肢外骨骼机器人,利用辅助起立机构和腿部外骨骼实现对使用者下肢的康复训练。分别了建立外骨骼机器人单腿支撑阶段和双腿支撑阶段5杆模型,采用拉格朗日方法推导出动力学模型,计算各关节所需的理论力矩;建立虚拟样机模型进行动力学仿真,仿真数据与理论数据进行比较,验证了理论推导的准确性和外骨骼机器人设计的合理性,为后续电机选型提供了依据。     

外骨骼上肢康复机器人的结构设计与仿真研究

针对上肢轻度瘫痪患者自主进行康复理疗训练的问题,在深入了解传统康复训练的弊端和康复机器人所应具备性能的基础上,提出了一种可穿戴式的外骨骼上肢康复机器人设计方案。首先,从仿生学角度出发,对该康复机器人的整体机械结构进行了建模,并设计了3处长度调节固定机构;然后,对机器人各关节驱动力矩进行了理论分析与计算,通过模型动作编写了step函数,将函数与三维模型图导入Adams进行了动力学仿真;得到了各关节的驱动力矩曲线图,再将其与理论计算结果作了对比分析;最后,对肩关节支撑板和大臂支撑板进行了强度分析。研究结果表明:该外骨骼上肢康复机器人结构设计方案具有较高可行性,能帮助患者实现康复训练。     

下肢康复外骨骼机器人结构拟人设计与运动学分析

下肢康复外骨骼机器人是一种可以辅助脑卒中导致运动功能障碍患者肢体运动和康复训练的机器人。基于人体下肢生物力学特点,提出了下肢外骨骼机器人设计方案,研究了下肢康复外骨骼机器人的机构设计原理及过程。针对外骨骼髋关节的关键零件设计进行详细阐述,研究了准拟人化设计的比例参数,使用了拓扑优化方法对膝关节电机架进行轻量化设计。基于D-H法分析了外骨骼机构的运动学关系,得到坐标转换矩阵。通过ADAMS软件进行运动学仿真,验证了运动学分析的可靠性。     

一种下肢外骨骼康复机器人优化的结构设计与控制仿真分析

越来越多的脑卒中患者使得理疗师的康复训练工作繁重且康复效果评估体系不完整,针对此现状,设计出一款优化的外骨骼康复机器人模型。介绍了该机器人优化的结构设计,并对其进行了相对应的控制策略分析,进而提出一种控制方法并进行了仿真分析。仿真实验研究表明,所提出的控制策略在跟踪精度和速度上都具有明显的优势。     

外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真

采用人机合一的下肢外骨骼助力装置,是未来单兵提高携行、机动能力的先进方式;而智能化的助力机械结构设计与合理的驱动选择布置,是确保外骨骼助力机器人可靠工作的关键。本文通过对人体结构与人体行走运动机理的分析,进行外骨骼机械结构的初步设计,并从电控、驱动及结构减重等方面进行考虑,对外骨骼机械结构进行优化设计,并获得三维模型。在此基础之上,进一步就机械结构的运动学仿真,通过对各关节的力矩分析,验证结构设计及驱动布置的合理性。     

负重外骨骼机器人的设计及其运动学动力学仿真

介绍了人体下肢骨骼结构以及人体步态数据,并在此基础上创建了下肢外骨骼机器人的零件模型及其装配体模型,然后将装配体模型导入到MSC.ADAMS软件中,进行运动学和动力学仿真。仿真结果表明:该外骨骼机器人结构合理,能够保证机构运动的灵活性与穿着舒适性;其次是动力学仿真结果反映了外骨骼机器人各关节处所受载荷的变化规律。     

基于UG的后视镜驱动器运动仿真

针对汽车后视镜驱动器,采用UG对其主要结构进行建模,然后运用UG内置的运动仿真模块进行运动分析,用动画再现驱动器的运动过程,用图表和电子表格来反映驱动器运动过程中位移、速度、加速度和力的变化规律,为后续的驱动器结构优化提供指导。     

虚拟外骨骼机构的仿真研究

可穿戴型下肢外骨骼机器人,也简称为助力腿,可以用来完成依靠人的自身能力无法单独完成的远行、负重、爬楼等任务。通过对人体下肢的骨骼结构和运动情况进行分析,设计了一套助力腿机构;通过建立三维立体模型,对机构运动情况进行模拟仿真研究,并与人体运动的实际情况进行对比。     

气动人工肌肉上肢仿生关节设计

气动系统以其具有结构简单、无污染、维修方便等优点,得到越来越广泛的应用。基于人体的拮抗肌对拉驱动原理,利用气动人工肌肉(PAM)驱动器,设计了三自由度(3-DOF)的仿生关节。在Adams环境下建立关节模型虚拟样机,并对其进行了运动仿真。仿真结果表明,该仿生关节结构运动曲线平滑、运动平稳、柔顺性好,满足设计要求。除此之外,对加工出的原理样机进行了可行性实验验证,绕X轴的旋转实验表明:a.当充气压力越大,前臂平台转角速度越快,b.当充气压力在0.2 MPa及以上时前臂平台转角达到所需角度。绕Z轴的转角实验表明,前臂圆盘的转角范围为可达所需角度,验证了机构的可行性。