穿戴式柔性下肢助力机器人发展现状及关键技术分析

穿戴式柔性下肢助力机器人技术在康复医疗、助老助残、生活起居等方面具有广阔的应用前景, 具有质量轻、体积小、可穿戴性强、人机相容性好等优势.为促进我国柔性下肢助力机器人的研究和发展, 总结国内外在该领域的研究进展, 阐述了多种助力系统的组成、驱动原理和运动学信息等, 分析了各助力系统的辅助力/矩传递规律及其助力效果.同时, 对柔性下肢助力机器人所涉及的安全与可靠性、步态检测技术、驱动方式及控制策略、助力性能评估等关键技术进行了分析.在总结研究成果及分析关键技术的基础上, 指出柔性下肢助力机器人今后的发展方向、研究思路和面临的挑战.对于柔性下肢助力机器人及相关的研究工作, 具有一定的指导意义.     

基于时间序列分析的可穿戴助力机器人传感器信号预测的研究

下肢可穿戴助力机器人是一种自主控制的机器人.它要求各个关节的电机根据感知系统获取的力信息和位置信息做出快速反应.为了提高下肢可穿戴助力机器人的动态响应频率,本文提出了一种新颖的基于时间序列分析的感知系统信号在线预测算法,该算法在保证系统实时性的前提下,提高了感知系统的动态响应频率.在文章的最后,对信号预测算法进行了相应的实验,实验结果表明了该算法的准确性和有效性.     

可穿戴机器人的研究现状和面临的挑战

本文以基于外骨骼的研究进展和社会不断增长的需求为背景,阐述可穿戴机器人的研究现状以及具有代表性的传感器技术.同时,对使用特殊的基于跑步机平台的康复疗法和使用功能性电刺激疗法来完成运动修复的情况进行了回顾.最后讨论了可穿戴机器人在智能空间中集成方面的问题,并提出了一些重要的关键技术.     

基于Opensim的柔性外骨骼机器人的模拟仿真

现有的刚性外骨骼存在关节中心与人体下肢的生物关节中心较难对齐、限制人体运动的自由度和影响穿着舒适度等问题.针对上述问题,设计了一种由电机驱动的助力髋关节屈曲和伸展的柔性外骨骼机器人.基于该柔性外骨骼,利用三维动作捕捉系统和测力平台采集受试者在行走过程中的运动学和地面反作用力数据,运用生物力学分析软件Opensim建立人体-外骨骼模型;利用Opensim分别模拟计算出在行走时助力和不助力两种情况下驱动髋关节的主要肌肉的代谢值.模拟仿真结果表明:和不助力的情况相比,在行走过程中对髋关节助力会减小驱动髋关节运动的主要肌肉的代谢值,减小穿戴者肌肉的负担;在行走过程中减小穿戴者的能量消耗.     

柔性可穿戴生命体征传感器的研究进展

作为可穿戴健康医疗设备的核心部件,柔性可穿戴生命体征传感器能穿戴于体表实现实时健康监测,为居家护理和健康预诊提供新的解决方案.围绕体温、心率、呼吸率和血压4种基本生命体征综述了近年来柔性可穿戴生命体征传感器的传感机制、测量方案和最新研究进展,提出了当前面临的问题和挑战,展望了未来的发展趋势.     

面向康复工程的助行可穿戴外骨骼机器人的人类工效学设计

中国社会正在逐渐进入老龄化,肢体残疾人群数也在不断增加,这逐渐加剧了我国康复专业人才的供需矛盾。为了缓解该矛盾,针对下肢运动功能完全或部分丧失的偏瘫及截瘫患者,设计了PRMI助行外骨骼机器人。该外骨骼系统对其穿戴者提供运动补偿以帮助其自然和有效地独立行走。介绍了PRMI助行外骨骼机器人设计目的。通过对外骨骼的人类工效学设计的分析,对PRMI外骨骼的可调范围、关节的运动范围、最大力矩、运动学上的一致性以及人机交互进行了介绍。     

绳驱动上肢外骨骼康复机器人穿戴机构设计

为了降低绳驱动并联外骨骼的结构不稳定性所带来的运动学建模误差,改善外骨骼对不同穿戴者的适应能力,提升外骨骼的穿戴舒适度,提出了一种新型穿戴机构并应用于绳驱动并联上肢外骨骼康复机器人CURE-7.首先,介绍了一种绳驱动外骨骼康复机器人,该外骨骼具有特制的穿戴机构,兼具绳驱动设备和并联机构的优点;然后,设计穿戴机构的欠驱动穿戴模块和柔性肘关节,建立外骨骼的运动学模型并对关键参数的影响进行了研究;最后,开发了穿戴机构样机并安装于外骨骼上,进行了健康人的运动轨迹跟踪实验和手臂穿戴外骨骼时的受力实验以证明穿戴机构的有效性.实验结果表明,通过采用新的穿戴机构,受试者肘关节前屈运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约41％,肩关节外展运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约30％,穿戴压力最大值降低了约23％,不同部位的压力方差也有较大幅度的降低.     

基于外骨骼的可穿戴式上肢康复机器人设计与研究

为辅助对患肢进行高强度标准化康复训练工作,研制了一种基于外骨骼原理的可穿戴式4自由度上肢康复机器人.该康复机器人可实现肩关节水平方向外展/内收、竖直方向上摆/下摆和旋转运动以及肘关节的屈/伸运动.首先根据康复医学原理确定出人手臂各关节的运动角度范围,并在确保驱动力矩最小的原则下进行结构设计.然后,对各结构进行了运动学与动力学仿真分析,并据此对结构进行优化.最后,设计了康复机器人在连续被动康复运动(CPM)模式下的控制系统.实验结果表明,此结构方便穿戴于人体,机器人的运动自由度与人体运动自由度同轴,能有效地对患肢前、后臂各部位进行支撑和牵引,精确地施加牵引力于上肢的各关节.     

可穿戴式无线网络技术研究及应用

本文从可穿戴式计算机的概念出发,提出了可穿戴式无线网络的概念。并运用IEEE802.15标准中的蓝牙和Zig鄄Bee技术构建了可穿戴式无线网络模型,阐明了它们的服务原理,分析了可穿戴式无线网络的核心技术。最后展望了可穿戴式无线网络在不同领域的应用。     

基于CNT/aPDMS柔性干电极的可穿戴电生理信号采集系统

研制了基于一种多壁碳纳米管(MWCNT)和粘性聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合物干电极的可穿戴生理信号采集系统。干电极主体采用聚酰亚胺(PI)—铜箔—聚酰亚胺三明治结构,表面具有MWCNT掺杂的粘性PDMS涂层,可直接粘附于表皮采集生理信号,并提供了良好的接触性能。采样系统包括发送端及接收端,使用ADS1299集成模拟前端进行采集及模数转换。信号传输使用蓝牙协议,整体尺寸为45 mm×20 mm×10 mm,使用锂电池供电,数据可直接使用MATLAB程序接收并进行分析。系统使用CNT/aPDMS电极采样的信号质量和传统湿电极获取的信号质量相当。     

软体仿蛙游动机器人关节式气动致动器研制

为实现仿蛙游动机器人的微小型化,增强其环境适应能力,结合软体材料的优势特点和青蛙划动推进的游动方式,提出了一种关节式气动软体致动器,该致动器在满足软体仿蛙机器人游动过程中的运动性能和力学性能的同时,使得其肢体结构更加紧凑、轻量．利用Yeoh本构模型和虚功原理,结合关节式气动软体致动器的几何参数,建立了致动器的形变分析模型．进而,在致动器总体尺寸受约束的情况下,以一定弯曲角度下致动器输出恢复力矩最大为目标,确定了致动器的具体结构参数．融合3D打印、模塑成型等加工工艺方法,加工制备了关节式气动软体致动器,并通过对比分析,确定了采用纤维线限制致动器径向凸起效应时纤维线的绕线形式和绕线密度．最后经过实验测试分析,该致动器质量约7.5 g,可实现由180°弯曲状态至伸直状态的形态变化,并且在弯曲角度一定时通过调整充入气压的大小可以匹配一定范围内不同大小的负载力矩,从而验证了针对软体仿蛙游动机器人设计的关节式气动软体致动器的可行性．     

气动人工肌肉驱动球面并联机器人关节的力控制研究

分析了具有柔索冗余驱动特点的静力关系，研究了力控制的智能控制算法及策略，在建立的实验样机上达到了良好的力伺服性能．将气动人工肌肉的被动柔顺性与位置控制到力控制过渡的主动柔顺控制策略结合，有效避免了机器人在与环境接触时的碰撞与冲击．     

气动机器人电-气控制系统设计

研制了一种适用于人体内腔诊查的柔性气动微机器人系统,根据机器人机体结构和移动机理,设计了该机器人的电-气控制系统,通过该控制系统控制机器人的主动移动,完成人体内腔的环境参数监测与诊疗等任务.     

螺线型气动软体致动器设计与建模

为了探索海马尾巴的解旋能力,基于生物结构的启发提出了一种基于螺线构型的气动软体致动器.区别于已有的软体致动器的弯曲运动,螺线型气动软体致动器(螺线型致动器)随着输入气压的增大可以实现正负曲率两个方向的展开运动.首先,在保持基体外侧弧长相同的情况下,依据圆形、阿基米德螺线、对数螺线3种不同螺线的数学表达式对螺线型致动器进行了3种结构设计;其次,基于超弹性材料模型、几何关系和虚功原理建立并修正了通用的静力学模型,描述输入气压与展开角度的关系;然后,对3种结构的螺线型致动器进行样机制作,并测试了它们的运动性能;最后,对比静力学模型计算结果和样机实验数据,最大平均展开角度误差为10.0166°,证明了模型的准确性.另外,根据从形状刻度线采集的坐标数据转换得到的构型空间参数,重建了螺线型致动器在不同展开状态下的理论展开形状,验证了构型空间参数获取方法的可行性.     

一种气动静压软体机器人的驱动力产生机理及控制策略

基于复杂刚性结构的传统机器人在狭小多变的空间中活动时,易对机器人本体产生较大磨损与消耗.针对此类问题,本文提出一种新型气动静压软体机器人,降低了机器人通过狭小空间时的阻力,减少运动损耗.在研究海参静水骨骼结构基础上,设计了软体机器人气囊相变结构,分析了气囊充放气的流体静压力学特性,建立驱动力产生的数学模型,从而设计出单单元与双单元控制策略,并利用时间戳BP(反向传播)神经网络对系统的延时时间进行预测,增强内模反馈系统的稳定性.在越障实验与稳定性分析中,加入延时预测后,机器人能在单单元与双单元控制模式下稳定行进,并顺利越过小沟壑,顺利完成六单元翻转的概率从89%提高到96%.     

气动机器人多指灵巧手——ZJUT Hand

总结了现有灵巧手的缺点,例如结构复杂、难以控制等,并在此基础上提出了一种新型的气动驱动多指灵巧手,命名为ZJUT Hand.基于一种新型的气动柔性驱动器FPA,设计了气动刚柔性弯曲关节及侧摆关节;在此基础上给出了一种4自由度气动拟人手指;为了获得较高的模块化集成度,将5个完全相同的手指装配在拟人手掌上,构成具有5个手指、20个自由度的ZJUT Hand的本体结构;采用仿生学优化方法确定ZJUT Hand的结构参数,并对其本体结构进行了抓持仿真实验.仿真结果表明:ZJUT Hand能够对圆柱、长条形、球形等典型形状的物体实现抓持,并能够模拟人手实现对捏、夹持、勾拉等复杂拟人手形.详细设计了ZJUT Hand的力/位传感系统.完成了ZJUT Hand的抓取实验,结果表明:ZJUT Hand能够对典型形状目标物体实现稳定抓取.最后,简单总结了ZJUT Hand的特色之处.     

对气动肌肉驱动器快速准确定位控制的研究

针对气动人工肌肉(PAM)驱动器,将机器人受驱关节的转角位置误差、位置误差变化速率和负载变化等,作为控制器的内环反馈量,建立了一种能自适应调节比倒压力阀输入控制量大小的算法,模拟人类手臂两点间的运动特点,同时通过外环反馈的角位置,控制电磁开关阀的开合,使受控关节能快捷、稳定和准确地定位于目标位置,解决了由于气体的可压缩...     

Robot Finger Using Electro-Conjugate Fluid

Abstract

An electro-conjugate fluid (ECF) is a kind of functional fluid, which produces a jet flow (ECF jet) when subjected to high DC voltage. It is known that a strong ECF jet is generated under a non-uniform electric field (e.g., a field with a pair of needle and ring electrodes (a needle–ring electrode pair)). This study introduces the ECF jet to develop a novel flexible robot finger. First, we propose a concept for a novel robot finger. The robot finger mainly consists of a bending actuator, an ECF tank and ECF jet generators, which could be a micro fluid pressure source of the robot finger. Second, we characterize each component of the robot finger (i.e., the bending actuator and the ECF jet generator). We investigate the influences of electrode parameters on ECF jet generator performance in order to design the finger prototype. Finally we clarify the characteristics of the robot finger. The length, the diameter and the mass of the robot finger are 34.2 mm, 12 mm and 3.8 g, respectively. The robot finger can generate a force of 0.28 N and bend approximately 70°.     

Robot assembly of precision parts using tactile sensors

The general problem of including impulse effects in Lagrangian dynamics is discussed. A self-consistent method is developed and a corresponding block-diagram representation including initial conditions is constructed. An example of collision between two dissimilar robots is provided for illustration. A synthesis method for system control laws is derived from the Lagrangian. Application to control of impulse variations is discussed.