末端牵引式上肢外骨骼结构设计与运动学分析

针对上肢外骨骼关节互联性较差、智能化水平低、本体尺寸较大及制造成本较高等缺点,设计了一种结构简单、价格低廉且可批量定制的新型桌面式三自由度末端牵引式上肢外骨骼。首先,根据患者的康复功能需求,结合人体上肢的尺寸进行整体的结构设计;其次,使用有限元仿真软件Ansys Workbench对关键零/部件进行静力学仿真,优化零件刚度、强度及尺寸,从而验证外骨骼材料及尺寸的合理性;然后采用Denavit-Hartenberg(D-H)参数法建立坐标系,推导了正运动学并对末端位姿工作空间进行求解,并绘制了工作空间点云图;最后,使用Adams软件对末端牵引式上肢外骨骼进行了运动学分析。结果表明,末端牵引式上肢外骨骼结构设计合理,能够满足上肢运动功能障碍患者的康复训练要求。     

基于摇杆滑块机构的外骨骼肘关节优化设计

针对当前上肢外骨骼肘关节活动范围受限和助力效果不佳的问题，设计了一种基于摇杆滑块机构的上肢外骨骼。通过D-H参数建立上肢体外骨骼机构的运动学模型，对其工作空间进行了分析。基于摇杆滑块机构进行上肢体外骨骼的结构设计，并对其进行力学分析，为气缸选型提供依据。基于ADAMS软件建立的参数化模型进行上肢体外骨骼肘关节尺寸优化，优化后的肘关节运动范围提升显著。通过ANSYS软件对关键部件进行了强度校核，搭建物理样机采集上肢肌电信号进行助力性能评估，验证了上肢体外骨骼机构具有较好的助力效果。     

搬运辅助外骨骼结构设计与实验

为了辅助工人安全轻便地完成搬运任务,针对传统外骨骼在工业领域应用不便的问题,设计了一款新型被动式搬运辅助外骨骼。借助Opensim人体建模软件建立了搬运过程的运动学模型,并对搬运过程进行了力学分析。参照设计要求完成了外骨骼总体设计和弹性蓄能模块设计。根据力学分析求出助力力矩,完成了蓄能模块凸轮、弹簧的参数选择,并对关键零部件进行了力学仿真。仿真结果表明,额定负载下机构能正常运行,不会发生损坏。使用外骨骼样机进行了模拟搬运对比实验,实验过程采集了肌电信号、耗氧量和Borg表数据。结果表明,该款外骨骼对腰部和胸背竖脊肌的助力效果为31.5%和18.7%,显著降低了受试者感知的劳累水平,不会引起耗氧量的显著差异。     

基于虚拟样机技术的外骨骼助力搬运机器人结构设计与仿真研究

针对现有外骨骼助力搬运机器人结构复杂、价格昂贵的问题,对外骨骼助力搬运机器人虚拟样机技术的结构设计、运动学与控制仿真展开了研究。设计了一款结构相对简单,在人体弯腰搬运重物时对人体腰部提供助力,且肘关节设计为自锁机构的可穿戴全身外骨骼助力搬运机器人;通过对外骨骼下肢运动学模型建立了D-H坐标,进行了正逆运动学分析;利用虚拟样机技术,采用人体步态行走时所采集的实验数据,对外骨骼助力搬运机器人进行了步态运动的仿真分析与联合控制仿真。研究结果表明:所设计的外骨骼助力搬运机器人的步态仿真运动与人体的实际数据相符,验证了所设计结构的稳定性与可靠性。     

上肢助力外骨骼研究综述

简述了在当前疫情灾情多发、劳动力资源短缺的情况下开发上肢助力外骨骼的重要意义，介绍了外骨骼的发展历程、分类方式以及上肢助力外骨骼的特点、适用人群、应用场景等。详细介绍了国内外上肢助力外骨骼相关研究成果和产品，包括其基本构造以及评估实验结果，并对其中的关键技术（如驱动和传动、人机交互中所涉及的人体运动意图识别、人机协同运动等）进行了阐述和分析。总结了当前研究中仍存在的问题，并对上肢助力外骨骼未来的发展趋势进行了展望。     

一种混联式上肢康复外骨骼结构设计与分析

针对现有上肢外骨骼存在的精度、稳定性与外骨骼体积之间的平衡问题,提出了一种8自由度的混联式上肢康复外骨骼机器人;设计了一种新型的2自由度肘部康复装置,代替传统的单自由度肘部外骨骼,旨在更好地实现上肢运动障碍患者的肘部训练;设计了一种共轴球面的3RRR/S机构,用于手部康复,可使手部的康复训练更具包裹性。根据混联外骨骼机构确立坐标系,使用矢量环路法建立机构刚体部分的运动学模型,并通过蒙特卡洛法绘制机构工作空间云图,验证其满足康复训练所需空间要求。最后,通过Matlab对一典型运动进行轨迹规划,在Adams获得末端质心运动平稳轨迹,验证了其运动学分析和结构设计的合理性;并通过约束多余自由度仿真其最大负载姿态,绘制其负载特性曲线,为驱动选取和样机搭建奠定基础。     

下肢外骨骼助力机器人关节驱动设计及试验分析

针对人体下肢关节特点与助行要求,设计了外骨骼机器人关节结构;通过ADAMS软件仿真,分析了外骨骼机器人水平助行过程中关节功率配置需求,根据关节需求设计了外骨骼电液伺服驱动系统;为满足外骨骼机器人对人体下肢关节助力及柔顺性要求,提出了基于关节误差估计的PID控制方法。详细介绍了外骨骼机器人下肢关节结构的运动形式与技术参数,优化配置了关节结构的运动范围与驱动行程,对该机器人进行了运动学分析并通过外骨骼的典型动作进行验证;划分了外骨骼助行过程中步态与关节驱动映射,给出误差估计与补偿PID控制的具体参数;分别从关节跟踪与助力功率的角度,量化分析、对比了基于关节误差估计与常规PID两种控制方法的助力指标参数。试验结果表明,所设计外骨骼关节与驱动系统可实现穿戴者助力行走;对比常规PID控制,抑制了关节驱动控制输出区间的不连续,改善了关节跟踪误差,提升了助力效果与柔顺性。     

基于缓冲结构设计的携行式外骨骼研究

为使携行式外骨骼具有更好的减震和缓冲功能,在携行式外骨骼中增设了缓冲结构。将整个携行式外骨骼视为刚性结构与柔性结构的耦合模型,以60 kg为负重载荷,并考虑冲击系数,在ANSYS中利用刚性区域和耦合技术处理携行式外骨骼有限元模型,并进行该外骨骼结构行走姿态的受力分析和整机振动模态分析,获取外骨骼各姿态应力值和整机各阶振型、振动频率。根据分析结果得,外骨骼结构除踝关节结构需加强外,其余部件均满足静力学强度要求,模态分析结果显示该携行式外骨骼有效避免了人体运动过程中共振现象的产生。对外骨骼进行应力测试和行走测试,各测试数据表明外骨骼满足实际使用要求。     

面向下肢助力外骨骼的脚底测力系统研究

要实现下肢助力外骨骼机械腿对穿戴者的运动跟随及有效助力,通过检测穿戴者脚底力变化信息进行运动意图识别是非常关键的环节。针对下肢助力外骨骼机器人的控制需求,提出了一种鞋垫式脚底测力系统。进行了脚底测力系统本体设计及传感器信号调理电路的设计,并进行了脚底测力系统的实验研究。设计出的脚底测力系统应用于下肢助力外骨骼机械腿控制中,实验结果表明,脚底测力系统检测出的足底压力变化信息能很好的实现外骨骼机械腿的控制。     

转阀及其在液压与气动系统中的应用研究

转阀作为一种实现油路或气路状态的改变或调节流量的控制阀,通过不断引入新的技术和对其结构的改进和创新,其允许控制的压力越来越高,密封性能越来越好,流量控制越来越精确,具有结构简单、对污染不敏感、换向灵敏、使用寿命长、维修方便、体积小、可靠度高等特点,目前在液压气动系统中发挥越来越重要的作用。该文针对国内外转阀的研发现状、特点、应用场合及存在问题进行了详细的分析和梳理,并根据转阀阀芯具体结构特点将其分为柱塞式、转轴式、转套式、转板式、轮齿式、旋塞式共6类。最后,结合近年来液压气动系统中出现的新型转阀探讨了转阀最新的发展状况。该文将为新型/专用转阀的研发及应用工作提供参考。     

主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人的设计与效能评估

针对上肢外骨骼机器人对使用者腰背产生过重负荷的问题,设计了一种主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人,利用无源下肢外骨骼来承担部分负荷。基于助力外骨骼应用场景和人体结构特征分析,建立外骨骼机器人的机械结构模型,完成运动学仿真分析,验证了模型的合理性。为解决外骨骼机器人效能评估问题,提出一种模糊综合评估模型,详细介绍了外骨骼机器人的效能评估方法,评估结果为性能良好。研制外骨骼机器人样机,搭建总体控制系统,开展助力性能和负重性能测试实验。实验结果表明,所设计的上下肢一体化助力外骨骼机器人可承受20 kg的负载且对穿戴者提供一定的助力效果。所提出的模糊综合评估模型,为外骨骼机器人的优化设计提供了方向和理论依据。     

无动力下肢外骨骼机器人研究综述及发展趋势

无动力下肢外骨骼机器人,可运用于医疗康复、运动助力以及负载作业等场景。系统阐述了无动力下肢外骨骼机器人的发展背景及助力形式;对国内外无动力下肢外骨骼机器人的研究历程进行综述,按多关节和单关节进行分类,重点总结了两类机器人的结构、特点、优劣势以及效能评估等;围绕无动力下肢外骨骼机器人的关键技术与未来发展趋势进行了分析与展望。     

行走助力型下肢外骨骼机器人的设计与控制

针对行走助力需求,通过对人体下肢结构与运动特征进行分析,采用模块化的方法设计了一款下肢助力外骨骼机器人。考虑不同场景穿戴者的运动特点,基于该系统设计了主动助力与随动跟踪 2 种控制模式。行走实验表明,该下肢外骨骼机器人既可以实现负重助行的功能,也能对目标关节轨迹进行快速的跟踪而不阻碍穿戴者的正常运动。     

6通径旋转型换向阀的设计分析

根据换向阀6通径、三位四通的设计要求完成设计。通过改变阀芯相对阀体的位置使阀芯做旋转运动,实现油液的沟通、切断及换向,满足工作要求的控制。进行应力分析及换向阀阀腔压力损失分析,完成了旋转型换向阀阀芯的结构设计。在满足结构强度和0.5 MPa压力损失的条件下完成了阀体和顶板的结构设计,使用CFD软件对旋转阀进行了流量特性仿真。将旋转阀加工成实体进行试验,试验结果与CFD仿真的流量特性进行对比,结果较吻合。     

An eight-degree-of-freedom upper extremity exoskeleton rehabilitation robot: design,optimization, and validation

Upper extremity exoskeleton rehabilitation robots can be used for the training of patients with upper extremity motor dysfunction. In most cases, the design of such robots focuses on the configuration and the human-machine compatibility. For patients, the use of an exoskeleton rehabilitation robot mainly aims to improve their movement ability, which depends on the range of movement of the upper extremity joints. This paper proposes an eight-degree-of-freedom (DOF) upper extremity exoskeleton rehabilitation robot to improve the movement range of the patient’s upper extremity joints. The structural parameters of the shoulder joint are optimized and analyzed by the kinematic equations of the mechanism and the cyclic iteration algorithm such that the movement range of the patient joint can be maximized. The movement space of the robot is then simulated. Finally, the movement range of the rehabilitation robot joints and the movement space of the rehabilitation robot were measured. Experimental results show that the upper extremity exoskeleton rehabilitation robot can meet the patient’s shoulder, elbow, and wrist movement range, and the overlap with the human upper extremity movement space is 97.1 % and 95.7 % in the coronal and sagittal planes, respectively.

     

转阀配气机构热力耦合分析

对热动力水下航行器转阀配气机构温度场和应力场进行三维有限元仿真,在仿真中进行阀体与阀座之间的接触分析.根据仿真结果,提出改进阀座强度的措施,为转阀配气机构的优化设计打下基础.     

一种结合FES的足下垂康复助力机构设计

针对足下垂患者的康复训练,提出了一种将功能性电刺激(FES)与踝关节助力机构结合的方法。通过分析正常人体步态曲线,对力传感器检测步态的方法进行了研究,并搭建了下肢步态检测系统; 对功能性电刺激技术进行了研究,设计了功能性电刺激单元,完成了该单元的硬件设计; 通过分析足下垂患者的步态特点,提出了踝关节助力机构所需要完成的功能性目标,并完成了助力机构的研制; 根据已经搭建的平台,对传统的PID控制方法进行了研究,设计了下肢步态检测模块、功能性电刺激单元和踝关节助力机构的控制系统,完成了控制系统搭建。     

上肢外骨骼机器人的阻抗控制与关节试验研究

外骨骼机器人穿戴于人体上,可以作为一种助力、增强或者交互的工具,应用于康复、遥操作等领域。针对上肢外骨骼机器人的人机交互控制问题,提出一种上肢外骨骼机器人的阻抗控制模型,并建立了一体化关节的动力学模型,详细设计了单关节的阻抗控制方法。基于外骨骼机器人在人机交互控制中的随动任务特性,设计了基于力的阻抗控制方法以及基于位置的阻抗控制方法。针对阻抗控制模型为二阶系统的特点,提出了阻抗控制参数优化分析的方法。建立了单关节阻抗控制的数值仿真模型,通过仿真试验分析了惯性参数、阻尼参数、刚度参数以及人机接触刚度对阻抗控制性能的影响。开展了单关节系统的阻抗控制硬件试验。试验结果表明单关节系统的触碰检测、重力补偿以及阻抗控制均可实现,并且操作者与关节系统可以实现协同运动。     

基于AMESim的防振液压安全阀设计与试验研究

为减小直动式液压安全阀开启、关闭过程对液压系统造成的振动，设计了一种防振液压安全阀。通过对防振液压安全阀及去掉消振结构的安全阀进行仿真分析，结果表明：所设计的防振液压安全阀具有优异的防振性能，其动态特性、启闭特性均满足要求。最后，利用防振液压安全阀样机进行了性能试验，试验数据验证了仿真结果的准确性，为防振液压安全阀的设计及液压系统的消振研究提供了一定的参考依据。