摘要：液压工程机械负载变化大、受到控制器计算性能限制,常导致运动控制出现强烈冲击和精度降低等问题,为此提出一种基于低阶模型的含压力补偿比例阀控系统平稳控制方法。首先,证明了含压力补偿比例阀控系统可近似为线性系统,提出一种低阶建模方法,利用分段线性随机系统作为原系统的全局近似,并定量给出分段线性随即系统的协方差矩阵;其次,在所提出的建模方法基础上,设计了稳态卡尔曼速度观测器,提出基于速度观测的双回路控制器,利用精确的观测速度与速度内环控制提高系统阻尼,达到抑制振荡的目的;最后,在盾构管片拼装机举重臂上开展实验验证,实验包括AMESim与Simulink联合仿真实验和PLC控制的实机应用实验。研究结果表明:所提出的低阶建模方法在常见阀参数下与精确模型的精度相对误差不超过3%,所提出的控制方法在低算力控制器上实现了阶跃位置目标轨迹的低冲击、高精度控制,显著增加了系统阻尼,获得了更平滑的速度曲线,减小了稳态误差,力冲击峰值减少21.6 kN,振幅降低约39%,具有较高的工程应用价值。

摘要：隧道底部积渣清理是TBM(tunneling boring machine)施工中钢拱架立拱前的必备环节,随着人们对支护质量、施工效率、安全性的要求越来越高,传统的人工清渣难以满足施工要求。基于此,提出一种机器人作业的清渣方法。首先,分析隧道底部积渣分布情况与环境结构特点,获得机器人设计要求,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,给出末端位姿矩阵的表达式和逆运动学最优解的选取算法,并进行工作空间计算和分析;然后,以单关节位置控制为例,进行积分分离PID控制器设计;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试验。结果表明:新型清渣机器人能够实现3 830 mm的作业深度和±45°的作业范围;与传统PID相比,积分分离PID将超调量降低18.7%,解决了位置误差累积引起的关节抖动问题,改善系统控制效果;该清渣机器人作业周期为53 s,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。

摘要：针对盾构法施工过程中人工换刀效率低、危险性大、成本高的问题,提出一种基于机器人作业的自动化换刀方案。首先,分析换刀机器人作业环境和功能需求,设计一种新型8自由度机器人结构,并基于静力学计算和仿真,验证机器人整体结构的强度和刚度满足设计要求;然后,基于D-H参数法建立机器人连杆坐标系,获得换刀机器人正运动学模型,基于位姿分离方法、迭代法和最短行程原则获得该8自由度机器人最优逆解;其次,为避免机器人换刀作业过程的冲击,采用5次多项式进行换刀机器人轨迹规划;最后,搭建换刀机器人仿真平台,并进行机器人逆运动学算法验证、工作空间计算和运动轨迹仿真。结果表明:所提逆运动学算法的误差优于10×10^(-6),精度较高,满足换刀精度要求;换刀机器人实现某一开挖直径8960 mm土压平衡盾构机87.6%的刀盘覆盖率和82.1%滚刀的更换,满足换刀范围要求;基于5次多项式轨迹规划算法,各关节运动平稳、无冲击,机器人出舱时间为70 s,作业过程未与舱体发生碰撞,验证了方案的可行性,并为换刀机器人智能控制奠定基础。

摘要：针对下肢康复机器人存在操作复杂、难以实现所需训练轨迹、易形成异常步态等问题,提出了一种五杆变胞机构解决方法.针对不同身高、康复期的患者,精确调节调整杆摆动位置,使其变胞为可在矢状面内实现步态轨迹的四杆机构.探讨了不同身高患者选择杆件尺寸通用计算方法,并以某一身高为例进行计算,依据计算结果进行了变胞规律仿真试验、样机制作及临床试验,结果表明本文所设计机器人可根据需要现实多种训练轨迹.

摘要：针对缺少适于在社区与家庭中使用的康复机器人的现状,研制了一种适于偏瘫患者在社区与家庭中进行不同步幅康复训练的新型机器人.通过探索正常步态及患者康复过程中步态运动的特点,结合社区与家庭的使用要求,基于并联机构设计了一种步幅可变的混合输入康复机器人.以身高185 cm成人的正常步态为设计依据对机器人训练机构进行了尺寸综合分析,并对其运动学、工作空间、控制规律进行了分析与仿真,在理论上证明了该设计方案的可行性.样机试验结果表明,该机器人可通过改变曲柄长度和调整杆角度使受试者实现肩、膝关节活动度分别为-14.8？~23.7？、1.8？~66.5？,步长68 cm以下的步态运动.

摘要：针对缺少在社区与家庭中使用的康复机器人的现状,提出一种新型下肢康复机器人设计方案.首先,根据患者康复训练需求完成了机器人的机构设计,建立了机器人的三维模型并介绍了其具体结构;其次,在矢状面内建立人-机模型并对机构进行运动学分析,对精确实现踝关节规划轨迹的控制规律进行了仿真分析;最后,基于样机进行了多位姿试验.试验结果表明:机器人能够实现"坐-卧-站"多位姿康复训练,该机器人设计方案具有可行性,能够为不同康复期的下肢偏瘫患者提供针对性的康复训练轨迹,有助于偏瘫患者康复训练.

摘要：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.

摘要：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。

摘要：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。

摘要：针对目前全断面硬岩掘进机(TBM)转弯半径受限的问题,设计一种可实现TBM超小半径转弯的新型推进系统。首先,对该推进系统的结构组成与工作原理进行阐述,建立推进系统的数学模型,并利用解析法对系统的运动学性能进行分析;然后,根据实际设计负载,利用Adams计算工具对TBM刀盘系统破岩时推进系统油缸的运行工况进行仿真分析,验证该方案设计的理论可行性;最后,将其应用于山东文登抽水蓄能电站工程项目,进行搭载验证。研究结果表明:搭载新型推进系统的TBM能够实现30 m小半径转弯的项目施工要求,满足实际工程应用性能指标。