摘要：基于对人体行走的能耗分析,设计了一种新型有源无动力踝关节外骨骼。首先,基于耦合摆模型建立人体行走摆动相动力学方程并采用打靶法求解。根据动量守恒原理分别计算摆动腿膝关节锁定、脚跟着地以及关节摩擦引起的能耗率。计算结果表明,脚跟着地引起的能耗率远大于膝关节锁定和关节摩擦引起的能耗率。然后,基于该能耗分析结果设计了一种足底弹性储能机构将脚跟着地时的能耗存储起来,在跖屈蹬地阶段释放助力。通过前脚掌压力信号控制电磁铁驱动的离合机构,实现对助力弹簧夹紧与释放的状态切换。样机实验结果表明:足底储能机构可以提高外骨骼的输出力矩和功率,提升助行能力;外骨骼的最大输出力矩为19N·m;穿戴该外骨骼行走时小腿三头肌激活度相较于不穿戴时最大下降约8.6%。踝关节角度测量结果表明,在摆动相期间外骨骼很少干扰穿戴者踝关节的正常活动。

摘要：基于人体行走摆动相期间摆动腿相关肌肉群几乎静息的现象,本文提出一个耦合摆模型并建立人体行走摆动相和双支撑相数学模型.采用打靶法求解摆动相期间支撑腿踝关节、摆动腿髋关节和膝关节角度变化.基于动量守恒计算摆动腿膝关节锁定和脚跟着地时,各关节角速度的变化,得出能量损耗率.分析各关节存在摩擦力矩时对摆动腿膝关节锁定和脚跟着地能耗率的影响.在髋关节与踝关节分别引入弹性储能元件,分析其对行走步态与能耗的影响.研究结果表明,基于数学模型计算出的各关节角度随时间的变化与正常行走时的实测数据非常接近;行走过程中主要的机械能损耗源于脚跟着地撞击,其能耗远大于膝关节锁定和摩擦力矩引起的能耗;在髋关节处添加弹性储能元件会缩短摆动腿摆动相时间,使步速加快,但导致脚跟着地时的能耗上升;在支撑腿踝关节处添加弹性储能元件可以降低摆动腿脚跟着地的能耗,并不会影响步速.本文的研究结果可为下肢助力外骨骼和足部假肢的设计与研究提供参考依据.

摘要：研究具有自主知识产权的高性能交流伺服控制技术,尤其是针对具有广阔应用前景的永磁同步电动机的伺服控制技术,具有重大的理论意义和经济利益。在分析永磁同步电机的近似动态结构的基础上,分别对电流环控制器、速度环控制器、位置控制器进行设计。电流环采用常规的PI控制器,速度环采用基于遗传算法的参数自整定PI控制器,位置环采用简单的P控制器。针对选用的三相Y型连接永磁同步电机求得控制参数。应用该设计策略进行永磁同步电机数学模型的设计,可以实现对同步电机的稳定控制。

摘要：采用运动图像采集系统、测力系统,获得人体行走过程中关节标记点坐标值及脚底力的变化信息,结合人体动力学模型,研究了不同负重(0,10,20,30kg)及不同行走速度(0.8,1.3,1.7m/s)对人体下肢运动学及动力学的影响.在人体行走矢状面内有下述研究结果.1)负重对人体行走运动学的影响为:踝关节在脚尖离地阶段的关节伸展角度随着负重增加而增加;膝关节的运动范围随着负重增加而减小;髋关节前屈角度随着负重的增加而增加,相反的髋关节的伸展角度随着负重的增加而减小.2)速度对人体行走运动学的影响为:踝关节运动范围随着速度增加而增加;膝关节最大伸展角度随着速度增加而增加;髋关节弯曲角及伸展角均随速度的增加而增加,且髋关节运动范围也随速度的增加而增加.3)负重及速度对人体行走动力学的影响为:踝关节、膝关节、髋关节力矩及功率均随负重、速度的增加而增加.研究结果可为人体下肢助力行走外骨骼机器人的设计与研究提供参考依据.

摘要：提出了一种基于BP神经网络的机械伺服系统非线性摩擦的补偿方法 ,根据该方法设计出一种将经典的PD控制与神经网络控制相结合的控制器 .该控制器既有PD控制的优点 ,又有神经网络逼近非线性函数的能力 ,较好地补偿了系统中的非线性摩擦和外部扰动 .应用Lyapunov稳定性定理 ,证明了系统的稳定性 ,并得到系统跟踪误差的边界值 .采用刚毛摩擦动力学模型 ,对X Y定位平台进行仿真和实验 .结果表明该控制器能够补偿系统的非线性因素 ,保证了系统的稳定 ,减小了跟踪误差 .该方案控制效果明显优于PD控制 。

摘要：针对机器人、空间结构等领域的应用,给出了一种三棱柱剪式可展结构的构型设计、传动方案设计及零部件详细设计。建立了考虑节点5个自由度的剪式铰单元有限元模型,对其刚度矩阵和质量矩阵进行了有效缩聚,减少了计算量;把剪式铰单元作为重复的子结构,建立了三棱柱剪式可展结构的有限元模型及其振动方程;在此基础上进行模态分析和仿真,得到前8阶固有频率及相应的振型曲线;并给出了三棱柱剪式可展结构的1阶固有频率随展开角的变化关系,为三棱柱剪式可展结构的优化设计和控制提供了依据。

摘要：提出了一种外骨骼整机运动控制策略,并重点介绍了外骨骼摆动腿的运动规划与PD(比例-微分)控制.作为外骨骼摆动腿运动规划的依据,踝关节处人机位姿误差检测仅需要在腰部与踝足部进行人机绑定,降低了对穿戴者运动的限制与控制系统的复杂性.通过Adams与Matlab验证了作为外骨骼摆动腿PD控制器设计基础的外骨骼动力学模型的正确性.引入卡尔曼滤波器预测穿戴者摆动腿的运动可以在有限的采样频率下改善控制精度.实验结果表明,该方法能有效识别穿戴者摆动腿的运动意图并驱动外骨骼髋、膝关节实现人机踝关节轨迹的跟踪,可用于下肢外骨骼摆动腿的控制.

摘要：设计了复式套索人工肌肉驱动的下肢外骨骼系统,并研究了外骨骼关节精密运动控制问题.首先,介绍了复式套索人工肌肉驱动的下肢外骨骼系统.其次,建立了复式套索人工肌肉的传递模型,并基于拉格朗日法建立了下肢外骨骼动力学模型.然后,基于该动力学模型提出了一种滑模控制方法.进行了滑模控制与比例-微分(PD)控制外骨骼膝关节运动的对比实验,证明了该滑模控制算法具有更高的运动控制精度.最后,完成了下肢外骨骼的被动训练实验,其关节角度跟踪误差低于3.78°.

摘要：软体机器人运动时具有高柔性,执行任务时又能展示出强刚度,在军事侦察、灾难救援等复杂环境探索与检测方面具有重要的应用价值。结合主动驱动的网络气动结构与被动驱动的堵塞机构的优势,提出实时变刚度的软体驱动器,研究其变刚度机理和动态建模方法。首先,提出了气动-堵塞机构耦合的软体驱动器模型;其次,利用赫兹接触模型,建立机器人运动数学模型,从理论上研究其变刚度形成机理;再次,利用有限元对气动驱动结构进行分析,研究空腔内压强、形状和大小对软体机器人弯曲角度的影响,并进行了优化;最后,制作了变刚度软体机械臂样机,验证了软体驱动器的变刚度性能与运动性能。该研究有望为变刚度软体机器人设计与刚度调控提供新的理论和技术支持。

摘要：介绍了套索传动特性,确定了套索驱动空心杆机器人传动系统。根据不同使用场合和不同需要确定了两套结构方案,并用SolidWorks三维绘图软件分别进行结构设计建模。该机器人连续细长、结构简单轻便,可用于灾后废墟中的搜救、大型结构和设备检测检修等需要在狭小空间内作业的场合。