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Configuration Design and Kinematic Performance Analysis of a Novel 4-DOF Parallel Ankle Rehabilitation Mechanism with Two Virtual Motion Centers

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Chinese Journal of Mechanical Engineering 2023年第6期36卷 87-104页

作者： Jingke Song Jun Wei Bin Yu chenglei liu Cunjin Ai Jianjun Zhang School of Mechanical Engineering Hebei University of TechnologyTianjin 300401China Hebei Provincial Key Laboratory of Robot Perception and Human-Machine Fusion Tianjin 300130China Intelligent Rehabilitation Device and Detection Technology Engineering Research Center of the Ministry of Education Tianjin 300130China

Aiming at the problem that the existing ankle rehabilitation robot is difficult to fully fit the complex motion of human ankle joint and has poor human-machine motion compatibility,an equivalent series mechanism model that is highly matched with the actual bone structure of the human ankle joint is proposed and mapped into a parallel rehabilita-tion *** parallel rehabilitation mechanism has two virtual motion centers(VMCs),which can simulate the complex motion of the ankle joint,adapt to the individual differences of various patients,and can meet the reha-bilitation needs of both left and right feet of ***,based on the motion properties and physiological structure of the human ankle joint,the mapping relationship between the rehabilitation mechanism and ankle joint is determined,and the series equivalent model of the ankle joint is *** to the kinematic and con-straint properties of the ankle equivalent model,the configuration design of the parallel ankle rehabilitation robot is carried ***,according to the intersecting motion planes theory,the full-cycle mobility of the mechanism is proved,and the continuous axis of the mechanism is judged based on the constraint power and its ***,the kinematics of the parallel ankle rehabilitation robot is ***,based on the OpenSim biomechanical soft-ware,a human-machine coupling rehabilitation simulation model is established to evaluate the rehabilitation effect,which lays the foundation for the formulation of a rehabilitation strategy for the later prototype.

关键词： Ankle rehabilitation robot Double-VMCs mechanism Kinematic performance Human-machine rehabilitation simulation

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移乘背抱护理机器人舒适性生物力学模型分析

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第1期57卷 95-104页

作者：刘腾代吉张建军刘承磊郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300130 天津大学装备设计与制造技术天津市重点实验室天津300350

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相... 详细信息

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相结合的方法.从被护理人的肌肉激活程度入手,对移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征进行了分析.首先,介绍了移乘背抱护理机器人典型结构工作原理并进行了运动学分析,在此基础上搭建了舒适性测试试验系统,基于主观舒适性评分规划了服务于试验的基础运动轨迹,并通过试验得到了人机主要接触部位力学信息.然后,以试验数据为边界条件构建了基于AnyBody的背抱运动人体生物力学模型,依托逆动力学仿真分析得到了肌肉激活程度,并对比舒适性测试肌肉激活程度验证了仿真模型的有效性.最后,结合人机主要接触部位受力、肌肉激活程度及主观舒适性评分综合分析了移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征,明确了影响被护理人舒适性的主要作用肌群.结果表明:影响被护理人舒适性的主要作用肌群有7个,且被护理人胸部压力与腋下压力值大小分别与影响其躯干和上肢舒适性的肌肉激活程度呈正相关.可通过建立胸部压力与腋下压力值相关的加权函数有效描述不同被护理人整体舒适性特征,为移乘背抱护理机器人舒适性运动控制提供了理论依据.

关键词：移乘背抱护理机器人人体生物力学模型肌肉激活程度背抱运动舒适性

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基于谐振原理的无线电能传输实验研究

实验技术与管理 2017年第5期34卷 32-36,43页

作者：薛雪刘晓文刘成磊中国矿业大学信息与控制工程学院江苏徐州221116

在研究了谐振原理和特点的基础上,结合互感耦合原理和赫姆霍兹线圈设计了一个无线电能传输实验。通过实验操作和Matlab仿真,验证了利用谐振进行无线电能传输的合理性和有效性,从而加深学生对谐振的认识,提高学生的应用能力,取得了良好... 详细信息

在研究了谐振原理和特点的基础上,结合互感耦合原理和赫姆霍兹线圈设计了一个无线电能传输实验。通过实验操作和Matlab仿真,验证了利用谐振进行无线电能传输的合理性和有效性,从而加深学生对谐振的认识,提高学生的应用能力,取得了良好的教学效果。

关键词：无线电能传输实验设计谐振原理

面向踝关节康复的四自由度广义球面并联机构运动学性能

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机械工程学报 2021年第21期57卷 45-54页

作者：刘承磊张建军牛建业刘腾戚开诚郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300401 河北省机器人感知与人机融合重点实验室天津300130 河北工业大学国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心天津300401

针对现有踝关节康复机器人运动特性与人体踝关节实际运动特性存在明显差异,导致人机相容性不理想的问题,基于高匹配度的U_(1)U_(2)型踝关节运动拟合模型,提出一种适用于踝关节康复且结构紧凑的四自由度广义球面并联机构。基于螺旋理论... 详细信息

针对现有踝关节康复机器人运动特性与人体踝关节实际运动特性存在明显差异,导致人机相容性不理想的问题,基于高匹配度的U_(1)U_(2)型踝关节运动拟合模型,提出一种适用于踝关节康复且结构紧凑的四自由度广义球面并联机构。基于螺旋理论分析其运动及约束特性,论证其与踝关节运动拟合模型运动的一致性;分别建立机构的位置及姿态运动学模型,证明了该机构的位置与姿态之间运动学完全解耦;基于雅可比矩阵极其条件数分析,阐明该机构在纯背伸趾屈和纯内外翻运动中均具有运动学的完全各向同性性质,且在踝关节工作空间内具有较好的灵巧性及可操作度,并无奇异位形等病态位置存在,通过数据对比验证该机构具有较好的运动学特性,适用于踝关节康复。

关键词：踝关节康复运动拟合模型广义球面并联机构运动学分析

基于工作空间的踝关节康复广义球面并联机器人运动学参数优化

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中国机械工程 2021年第16期32卷 1921-1929页

作者：刘秀莹张建军刘承磊牛建业戚开诚郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300130 河北省机器人感知与人机融合重点实验室天津300130

为了解决现有踝关节康复机器人难以完全拟合人体踝关节运动的问题,在仿生学的基础上,提出了一种高匹配度的踝关节运动串联拟合模型,并研发了一款新型的三自由度广义球面并联机器人。为研究该并联机器人的拟合能力,基于螺旋理论分析了其... 详细信息

为了解决现有踝关节康复机器人难以完全拟合人体踝关节运动的问题,在仿生学的基础上,提出了一种高匹配度的踝关节运动串联拟合模型,并研发了一款新型的三自由度广义球面并联机器人。为研究该并联机器人的拟合能力,基于螺旋理论分析了其自由度特性,建立了机构的运动学模型,并在逆运动学的基础上阐明该机器人具有部分解耦特性。根据机器人具有双球心的特点,求解了动球心和动平台可达工作空间。最后,以踝关节运动拟合模型的工作空间与机器人的工作空间的匹配度为目标函数,采用遗传算法对运动学参数进行了优化。对比研究机器人与模型的工作空间散点图,并求得有效工作空间比分别为0.79和0.86,结果表明优化后的广义球面并联机器人工作空间能够满足踝关节的运动要求。

关键词：踝关节康复广义球面并联机器人逆运动学工作空间参数优化

纳米SiO_2对PDMS/PIB不相容共混物在低剪切速率下凝聚行为的影响

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高分子学报 2009年第12期19卷 1219-1225页

作者：刘成蕾佟伟黄亚江程小莲侯康杨其四川大学高分子科学与工程学院高分子材料与工程国家重点实验室成都610065

借助在线剪切-显微装置研究了简单剪切流场下疏水纳米二氧化硅(SiO2)粒子对聚二甲基硅氧烷/聚异丁烯(PDMS/PIB=90 wt%∶10 wt%)不相容共混物实时结构演变过程的影响.研究表明,分散相尺寸的大小及其分布由粒子含量和剪切速率共同决定.少... 详细信息

借助在线剪切-显微装置研究了简单剪切流场下疏水纳米二氧化硅(SiO2)粒子对聚二甲基硅氧烷/聚异丁烯(PDMS/PIB=90 wt%∶10 wt%)不相容共混物实时结构演变过程的影响.研究表明,分散相尺寸的大小及其分布由粒子含量和剪切速率共同决定.少量纳米SiO2的加入能够抑制PIB分散相的凝聚,分散相的尺寸随着纳米SiO2含量的增大而减小,并且呈现出双峰分布.但随着SiO2粒子含量的进一步增加,分散相尺寸的双峰分布现象逐渐消失.SiO2的加入还导致PIB分散相对剪切速率的依赖性降低.当SiO2粒子含量低于2.5wt%时,较高的剪切速率凝聚得到的分散相的尺寸较大;当SiO2粒子含量超过2.5 wt%后,低速和高速剪切速率下凝聚得到的分散相尺寸基本相同.粒子的包覆、分散相的破碎和凝聚是出现以上现象的根本原因.

关键词：不相容高分子共混物简单剪切凝聚纳米二氧化硅

踝关节康复四自由度广义球面并联机构的运动学分析及尺度优化

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生物医学工程学杂志 2021年第2期38卷 286-294页

作者：刘旭升张建军刘承磊牛建业戚开诚郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300401 河北省机器人感知与人机融合重点实验室天津300130

剖析人体踝关节生理结构及运动特性,提出一种四自由度广义球面并联机构来满足踝关节康复运动需求。采用螺旋理论分析机构运动特性,基于球坐标描述位置、欧拉角描述姿态的方法,建立机构位置逆解封闭矢量方程。根据逆解约束条件分析机构... 详细信息

剖析人体踝关节生理结构及运动特性,提出一种四自由度广义球面并联机构来满足踝关节康复运动需求。采用螺旋理论分析机构运动特性,基于球坐标描述位置、欧拉角描述姿态的方法,建立机构位置逆解封闭矢量方程。根据逆解约束条件分析机构工作空间,以机构动球心工作空间匹配踝部胫距关节运动空间、动平台工作空间匹配踝部距下关节运动空间为目标,采用遗传算法对机构关键尺度参数进行优化设计。研究结果表明,该广义球面并联机构工作空间能够满足人体踝关节康复实际运动空间。通过本文研究结果,可为高匹配度踝关节康复机器人本体设计提供理论依据和实验参考。

关键词：踝关节康复广义球面并联机构位置逆解工作空间尺度优化

驱动支链完全解耦的可重构踝关节康复并联机构型综合

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机械工程学报 2022年第19期58卷 45-56页

作者：魏俊贾维涵刘承磊张建军黄海晶郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300401 河北省机器人感知与人机融合重点实验室天津300401 天津大学天津医院足踝一病区天津300211

基于术后6~12周内的前、中、后期踝关节扭伤的康复运动需求,提出具有三种康复运动模式的可重构踝关节康复并联机构。首先,针对胫距关节和距下关节的轴线运动特征,研究踝关节康复运动切换机理和“双心”特性,提出符合踝关节自由度和轴线... 详细信息

基于术后6~12周内的前、中、后期踝关节扭伤的康复运动需求,提出具有三种康复运动模式的可重构踝关节康复并联机构。首先,针对胫距关节和距下关节的轴线运动特征,研究踝关节康复运动切换机理和“双心”特性,提出符合踝关节自由度和轴线运动特性的六种融合支链;根据构型约束支链的选取方案,筛选出四种无约束支链。其次,基于旋量理论对六种融合支链进行过约束设计,验证符合实际需求的融合支链;根据传递力旋量与动平台运动轴线关系,提出一种驱动支链完全解耦优化方法,得到三种无约束驱动支链以及十二种机构构型,使得机构在三种康复模式中实现完全解耦。最后,通过ADAMS仿真验证机构的三种运动分支及完全解耦的正确性。可重构踝关节康复机器人依据患者康复需求采取对应康复模式,适用范围广,针对性强,控制简单。

关键词：踝关节康复可重构机构型综合过约束设计完全解耦融合支链

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面向踝部康复的广义球面并联机构型综合

机械工程学报 2020年第19期56卷 79-91页

作者：刘承磊张建军戚开诚牛建业李为民郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300130 河北省机器人感知与人机融合重点实验室天津300130

针对现有踝关节康复机器人难以充分拟合踝关节复杂运动,人机相容性较差的问题,提出一系列与踝关节实际骨结构匹配程度更高的串联等效拟合模型。为满足踝关节串联等效拟合模型对康复机器人机构本体的功能需求,给出一种具有串联等效拟合... 详细信息

针对现有踝关节康复机器人难以充分拟合踝关节复杂运动,人机相容性较差的问题,提出一系列与踝关节实际骨结构匹配程度更高的串联等效拟合模型。为满足踝关节串联等效拟合模型对康复机器人机构本体的功能需求,给出一种具有串联等效拟合模型的广义球面并联机构型综合方法。首先枚举出广义球面机构的基本构件及运动副,并依此构造出广义球面支链。继而基于螺旋理论分析单支链以及多支链组合对动平台的约束性能,给出支链的组合条件与原则,阐明不同支链在机构中作用的异同,并依此归纳出位置支链和姿态支链两类广义球面基本支链。最后基于基本支链的约束特性,根据支链组合条件,综合出一系列适用于踝关节康复机器人本体研究的广义球面并联机构,并通过螺旋理论证明其与踝关节串联等效拟合模型的自由度数及性质具有一致性,为此类康复机器人本体设计提供理论依据。

关键词：踝关节康复并联机构广义球面机构型综合