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基于柔性驱动的髋关节康复外骨骼机器人设计与研究

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基于柔性驱动的髋关节康复外骨骼机器人设计与研究

作者：何鹏深圳大学

学位级别：硕士

随着老龄化人口数量的增多,患病率的提高,脑卒中、脊髓损伤等疾病造成的下肢运动功能障碍,成为术后康复以及日常出行的主要问题,而及时有效的康复训练可以促进人体末端肢体恢复,对下肢运动障碍患者有着重要的作用。下肢外骨骼作为一种... 详细信息

随着老龄化人口数量的增多,患病率的提高,脑卒中、脊髓损伤等疾病造成的下肢运动功能障碍,成为术后康复以及日常出行的主要问题,而及时有效的康复训练可以促进人体末端肢体恢复,对下肢运动障碍患者有着重要的作用。下肢外骨骼作为一种可穿戴设备,近年来逐步应用于康复医疗领域,辅助患者进行下肢康复训练。传统下肢康复外骨骼普遍采用刚性结构,体积大,设备重,系统复杂度高,应用人群为重度运动障碍患者,并不适用于具有部分行走能力以及居家养老人群。针对以上问题,设计了基于柔性驱动的髋关节康复外骨骼机器人,通过实验证明,在稳定行走过程中具有助力效果。本文主要研究重点如下:(1)设计了柔性髋关节外骨骼机械系统。首先,通过研究人体下肢运动机理,对人体步态周期进行说明,分析运动障碍患者在步态中的助力阶段,以此作为髋关节外骨骼机器人的设计理论依据;然后,采用柔性绳与弹性元件作为髋关节外骨骼机器人的传动装置,在基于柔性驱动的前提下,采用单一电机作为外骨骼机器人的动力源;最后,对外骨骼机器人进行运动空间仿真,并对钢丝绳进行疲劳校核,为后续控制策略的制定提供可靠的机械结构。(2)结合柔性髋关节外骨骼机械系统,制定控制策略。下肢康复是一个步态重塑的过程,步态会随着康复过程而改变,这就要求控制参数随人体步态改变而改变。采用基于自适应振荡器和步态相位估计的控制策略,以柔性髋关节外骨骼机器人的非正弦周期信号来替代步态传感器,准确预测步态相位,提供灵活的辅助力,并适应行走模式的变化。(3)设计助力曲线与系统力矩补偿。基于人体下肢髋关节信息,设定助力曲线起始时刻,实现对右/左侧髋关节前屈与左/右侧髋关节后伸的协同助力。通过模仿髋屈肌群肌力设计函数曲线作为助力曲线,为穿戴者提供舒适的助力。并对系统的力损耗进行建模分析,建立线管钢丝模型并进行受力分析,静摩擦补偿,以及外骨骼下肢重力矩补偿,以提供准确的辅助力矩。(4)设计了基于表面肌电信号(Surface Electromyography,s EMG)的柔性髋关节外骨骼实验。结合硬件平台进行柔性髋关节外骨骼系统测试,验证系统的稳定与安全性,以及实际穿戴时控制策略的有效性。最后进行柔性髋关节外骨骼机器人实验验证,四名受试者在多种步行速度中,对两种穿戴模式下的下肢表面肌电信号采集。实验结果表明,在稳定的步行速度场景下,基于控制策略对下肢提供辅助力,降低了穿戴者肌肉的电信号,证明了柔性髋关节外骨骼机器人对下肢的运动辅助具有有效性。

关键词：髋关节外骨骼机器人柔性驱动自适应振荡器人机交互

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基于3D打印的仿生柔性驱动器及其性能研究

基于3D打印的仿生柔性驱动器及其性能研究

作者：刘昊吉林大学

学位级别：硕士

与传统的刚性机器人相比,软体机器人具有自适应性强,高交互性和高安全性等优势。软体机器人的灵活性为解决机器人、驱动器、抓手等传统器械面临的难题提供了全新的途径。软体机器人可利用对驱动的高度非线性响应来完成较为复杂的运动,... 详细信息

与传统的刚性机器人相比,软体机器人具有自适应性强,高交互性和高安全性等优势。软体机器人的灵活性为解决机器人、驱动器、抓手等传统器械面临的难题提供了全新的途径。软体机器人可利用对驱动的高度非线性响应来完成较为复杂的运动,实现传统刚性器械难以完成的任务。首先,受自然界章鱼触须运动的启发,本文提出了一种基于3D打印的具有嵌入式气动网格驱动单元的六爪驱动器,其由一个可拉升的顶层和一个不可拉伸的底层复合而成。为了保证驱动器良好的驱动性能,其驱动单元内部气动网格的结构设计至关重要。本文研究了气动网格的关键结构参数对驱动单元驱动性能的影响,包含网格高度、网格宽度和网格数量,并讨论了不同结构参数下驱动单元的驱动压力阈值,明确了驱动性能测试中所需要的外部气源压力;分析不同网格高度、网格宽度和网格数量条件下气动驱动单元的驱动速度和驱动驱动力与驱动气压之间的关系,并运用超弹性理论Mooney-Rivlin的非线性材料模型分析气动驱动单元的大变形过程,通过实物抓取试验和重复性驱动测试验证了驱动器良好的抓取性能和耐用性。其次,受象鼻的运动启发,提出了一种具有多方向弯曲能力的仿生驱动臂,驱动臂的内部由三个嵌入式气动驱动单元和一个用于增加驱动臂刚度的内嵌模块组成。阐述了驱动臂的驱动原理,分析了驱动臂在特定结构下的驱动压力阈值并确定了其驱动压力。研究了驱动臂在特定气压下,不同长径比对驱动臂的曲率半径、弯曲角度和尖端偏移量的影响。利用线性拟合得到驱动臂尖端偏移量与驱动时间的关系,建立了弯曲运动的数学模型,运用此运动模型通过调整各个驱动单元的驱动时间预测驱动臂的弯曲方向,并通过试验进行了验证。为实现驱动臂三个驱动单元的分别控制,设计开发了一套可编程的气动驱动系统,实现了每个驱动单元的驱动时间独立可控试验。通过重复弯曲试验验证了驱动器驱动性能的稳定性,并结合有限元分析软件分析了驱动臂的变形过程。最后,展示了驱动器在电磁屏蔽和柔性传感领域的潜在应用,并通过试验验证了其应用的可行性。对比了不同底层复合材料驱动器的信号屏蔽效果,探究了不同铜粉含量的底层材料对驱动器电磁屏蔽效果的影响。使用多壁碳纳米管和氧化石墨烯的导电材料制作柔性传感器,对比不同导电材料喷涂次数和导电材料浓度下传感器的导电性能,测量传感器在不同拉伸应变下的电阻变化,通过重复试验测试验证了传感器的稳定性。将传感器复合在柔性驱动器的表面,通过其拉阻特性对驱动器的运动状态进行实时监控。本文分析了驱动器的嵌入式驱动单元网格的结构参数对驱动器的性能影响,并对其结构参数进行了优化,实现了高自适应性、高包覆性、驱动压力小、变形大等特点的六爪驱动器的开发;研究了驱动臂的运动参数与时间之间的线性和非线性关系,提出了多方向弯曲仿生驱动臂的制造和控制方法;进行了驱动器的在电磁屏蔽和驱动传感方向的潜在应用的探索,验证了3D打印柔性驱动系统的理论和试验可行性,为3D打印柔性驱动器在柔性机器人、航空航天、医疗、军事等关键领域的应用提供了试验和理论依据。

关键词：仿生柔性驱动 3D打印结构参数电磁屏蔽柔性传感

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基于柔性驱动的中医腰椎理疗按摩仪研制

基于柔性驱动的中医腰椎理疗按摩仪研制

作者：严发龙电子科技大学

学位级别：硕士

随着社会的发展与进步,人们的生活与工作方式发生了改变,越来越多的人因工作原因不得不久坐不起,再加上长期不运动导致腰椎疾病发生的概率激增。随着患者的增多,医疗资源增长速度尤其是有经验的中医按摩医师的数量却远远无法达到预期,因... 详细信息

随着社会的发展与进步,人们的生活与工作方式发生了改变,越来越多的人因工作原因不得不久坐不起,再加上长期不运动导致腰椎疾病发生的概率激增。随着患者的增多,医疗资源增长速度尤其是有经验的中医按摩医师的数量却远远无法达到预期,因此,导致了严重的中医按摩治疗的供需矛盾。为了解决这一矛盾,对康复机器人的研究应运而生。而其中,基于中医理论的按摩机器人,因其对腰椎疾病的卓越效果而成为了当下康复机器人的重要研究方向。近年来,国内外对按摩机器人的研究越发成熟,然而这些按摩机器人却也有其局限性,如普遍重量大、体积大,按摩手法单一,仅能起到放松作用,其力度与频率控制不能满足对腰椎疾病的治疗需求,按摩装置均为刚性连接,不能满足人们对安全性的要求。因此,为解决上述问题,本文将设计一款便捷轻巧的理疗按摩仪,并引入柔性驱动结构,在保证人机接触的安全性前提下实现对中医按摩医师手法的模拟。本文具体研究内容如下:首先,阐述了本课题研究的背景与意义,并结合中医按摩推拿理论,对腰椎治疗的按摩手法进行了探究。与此同时对按摩机器人的国内外现状与其相关的控制规律进行了调研。其次,总结提炼出满足中医腰椎理疗按摩仪治疗需求的按摩手法及其运动特征。并基于此提出了基于柔性驱动的按摩装置结构设计,基于人体腰椎最佳曲度的支撑装置结构设计。并对按摩与支撑装置的关键构件进行了强度校核。最终完成对理疗按摩仪机械结构的设计。然后建立了理疗按摩仪动力学模型,针对理疗按摩仪机械结构进行了控制方法设计,并对其进行了仿真与分析。之后,对理疗按摩仪的控制系统进行了硬件设计与软件设计。其中,硬件设计包括主控模块、驱动模块、传感模块等模块设计;软件设计包括驱动程序设计、数据采集程序设计、按摩手法程序设计等,并基于SSM框架设计了病患信息客户端用以保存病患信息数据。最终,搭建了中医腰椎理疗按摩仪平台并于此上开展了实验研究,研究内容包括按摩手法力学参数的科学提取、中医理疗按摩仪按摩效果验证以及病患信息客户端效果验证。实验结果表明按摩装置能够有效且精确的完成对中医按摩手法的模拟,客户端有效的完成对病患信息的传输,本文所设计的柔性中医理疗按摩仪能够满足中医推拿按摩理论的技术需求。

关键词：中医理疗按摩仪柔性驱动力/频控制 SSM框架

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水下柔性驱动小车受限运动控制研究

机械与电子 2018年第5期36卷 27-32页

作者：荀思瑞刘刚郭冉徐国华华中科技大学船舶与海洋工程学院湖北武汉30074

针对一种水下柔性驱动轮式小车进行了小车在水下受限空间中的运动控制研究,在特定控制任务的要求下,提出了一种基于F+PID模糊切换控制的复合速度控制策略。该策略利用模糊控制方法,克服柔性牵引机构及液压系统中存在的柔性变负载、参数... 详细信息

针对一种水下柔性驱动轮式小车进行了小车在水下受限空间中的运动控制研究,在特定控制任务的要求下,提出了一种基于F+PID模糊切换控制的复合速度控制策略。该策略利用模糊控制方法,克服柔性牵引机构及液压系统中存在的柔性变负载、参数时变以及滞后非线性等难点,同时结合常规PID算法进行切换控制,消除了系统静差及盲区,弥补了模糊控制方法中存在的稳态精度不高的缺陷。另外,针对小车稳定运行阶段出现的冲击变负载,增加冲击补偿控制,有效削弱了小车速度抖振,提高了鲁棒性。全数字仿真及半实物仿真结果表明了该方法的可行性。

关键词：水下小车柔性驱动速度控制 F+PID复合控制阀控液压绞车

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液压马达柔性驱动技术分析与研究

现代信息科技 2022年第3期6卷 113-115页

作者：林园园徐彤常莹莹江苏师范大学科文学院江苏徐州221132

通过对液压马达在塑机械、船舶、起扬机、建筑机械、工程机械、冶金机械、矿山机械、石油化工、船舶机械和港口机械等领域应用的研究,报告了因液压马达频繁的启停对与其相关的减速机、轴承、轴、传动齿轮等部件造成损坏的现状。针对如... 详细信息

通过对液压马达在塑机械、船舶、起扬机、建筑机械、工程机械、冶金机械、矿山机械、石油化工、船舶机械和港口机械等领域应用的研究,报告了因液压马达频繁的启停对与其相关的减速机、轴承、轴、传动齿轮等部件造成损坏的现状。针对如何尽量减少因马达频繁启停带来的冲击造成的这种损坏的问题,文章对液压马达柔性驱动技术进行了分析与研究。

关键词：液压马达冲击柔性驱动

连续退火机组出口分切剪柔性驱动系统的改造和应用

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冶金信息导刊 2024年第5期61卷 44-47页

作者：张晋峰东旭杨晓男颜廷洲首钢智新电磁材料(迁安)股份有限公司唐山064400

在连续退火机组中,出口分切剪主要用于带钢分切,实现卷取机顺序切换卷取的目的。在常规电气起动控制方式下,出口分切剪的驱动电机连续多年发生前轴轴承台阶处断轴事故,造成生产线长时间非计划故障停机,严重制约了正常产能释放。通过研... 详细信息

在连续退火机组中,出口分切剪主要用于带钢分切,实现卷取机顺序切换卷取的目的。在常规电气起动控制方式下,出口分切剪的驱动电机连续多年发生前轴轴承台阶处断轴事故,造成生产线长时间非计划故障停机,严重制约了正常产能释放。通过研究出口分切剪驱动装置的机械结构,分析出口分切剪各阶段的运行动作特点,针对电机转轴在起动和剪切阶段冲击负荷问题,通过应用柔性驱动技术从根源上消除了电机转轴受冲击负荷断轴的问题,不仅保障了连续退火机组的稳定运行,而且对其他机组同类问题治理具有参考价值。

关键词：分切剪电机断轴柔性驱动

游梁式抽油机椭圆速率柔性驱动及抽油杆疲劳寿命分析

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石油矿场机械 2021年第2期50卷 25-31页

作者：李汉周段志刚陈勇殿司志梅储明来李传杰中国石化江苏油田分公司工程技术研究院江苏扬州225009 中国石化江苏油田分公司采油一厂江苏真武225265 西南石油大学机电工程学院成都610500

游梁式抽油机椭圆速率驱动是一种基于变频器技术,将曲柄旋转运动规律由圆速率变为椭圆速率的柔性控制方案。依据椭圆速率驱动原理,求解了其曲柄随转角变化的解析式。在已知椭圆长、短轴前提下,便可求得目标曲线,进而反推出电机运动规律... 详细信息

游梁式抽油机椭圆速率驱动是一种基于变频器技术,将曲柄旋转运动规律由圆速率变为椭圆速率的柔性控制方案。依据椭圆速率驱动原理,求解了其曲柄随转角变化的解析式。在已知椭圆长、短轴前提下,便可求得目标曲线,进而反推出电机运动规律,为现场生产提供指导。对游梁式抽油机系统进行了室内台架测试,测得了2种驱动下曲柄角速度、悬点及泵前绳段载荷。以CYJT8-3-26HY型抽油机为例,使用Soliderworks软件,对圆速率、椭圆速率驱动下悬点运动规律进行运动学分析。以运动学分析结果作为边界条件,使用Ansys软件,对比分析了圆速率驱动、椭圆速率驱动对抽油杆疲劳性能的影响。分析发现,将圆速率驱动改变为椭圆速率驱动,对抽油杆柱疲劳性能有改善。

关键词：游梁式抽油机椭圆速率柔性驱动运动学分析疲劳分析

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一种柔性驱动器及自适应夹爪设计与研究

农业装备与车辆工程 2023年第9期61卷 65-67,73页

作者：刘金荣蒋小毛欧佳顺曾乐长沙航空职业技术学院航空机械制造学院湖南省长沙市410124

针对现有夹取机构在夹取柔软、易变形、外形结构复杂的物体时无法稳固夹取、精准控制率低、适应性差甚至损坏物体等问题,设计了一种柔性驱动器及自适应夹爪。在刚性夹爪上设置柔性驱动器,在柔性驱动器的外壳内设置气囊,通过调节气囊内... 详细信息

针对现有夹取机构在夹取柔软、易变形、外形结构复杂的物体时无法稳固夹取、精准控制率低、适应性差甚至损坏物体等问题,设计了一种柔性驱动器及自适应夹爪。在刚性夹爪上设置柔性驱动器,在柔性驱动器的外壳内设置气囊,通过调节气囊内的气压控制柔性驱动器的夹持力度;在传动装置中利用蜗轮蜗杆结构的反向自锁特性保证夹持不松动;采用压力传感器实现最优工作模式的选择与切换,以适应刚性和柔性物体的夹取。该抓取机构可自动适应抓取力大小并具备自锁功能,结构简单、适用场合广泛,具有较大的市场推广价值。

关键词：夹取机构柔性驱动自适应自锁

EAP柔性智能驱动材料的建模、控制及应用研究进展

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机器人 2018年第5期40卷 660-672页

作者：李梦梦李原王庆林北京理工大学自动化学院北京100081

对电活性聚合物(EAP)材料的建模、控制及应用方面的研究进展进行了系统性的梳理.首先对现有的EAP材料的分类和电致动原理进行了概述.然后论述了EAP驱动材料的本构、迟滞、蠕变模型的建立,以及控制器的设计,并总结了EAP智能结构在仿生机... 详细信息

对电活性聚合物(EAP)材料的建模、控制及应用方面的研究进展进行了系统性的梳理.首先对现有的EAP材料的分类和电致动原理进行了概述.然后论述了EAP驱动材料的本构、迟滞、蠕变模型的建立,以及控制器的设计,并总结了EAP智能结构在仿生机器人、航空航天、能源等领域的应用.最后指出了EAP在材料性能、智能结构设计、系统建模和运动控制策略方面存在的研究难题,并展望了未来的研究方向.

关键词：电活性聚合物柔性驱动建模控制策略机器人