手部外骨骼运动相容性设计综述

以人机运动相容性为关注点,对手部外骨骼设计的研究现状进行分析与综述.首先,结合人手解剖学结构与关节运动学属性的分析,简要介绍手部的主要运动学参考模型.其次,根据实现人机运动相容性的设计方法,将手部外骨骼归纳为人机关节轴线对齐、关节轴线自适应和柔顺性结构手套等3种主要类型,并扼要分析典型手部外骨骼的设计特点.最后,结合人机穿戴偏差、个体体征差异和人机关节运动属性差异等对人机运动相容性的影响,对手部外骨骼设计需要考虑的问题和后续研究进行了分析与论述.

基于3-UPS/RRR的并联踝关节康复机构及其性能分析

基于踝关节的生理解剖结构和运动特性分析,提出了一种适用于踝关节康复的3自由度3-UPS/RRR并联机构.该机构采用三个主动支链倾斜布置避开了机构的奇异位形,能满足踝关节康复运动需要,同时约束支链和动平台的设计使机构的转动中心与患者的踝关节转动中心重合.应用解析法得到了机构的位置反解,建立了速度雅可比矩阵和静力雅可比矩阵,求解了机构的工作空间.基于雅可比矩阵,仿真分析了机构的运动学性能和静力学性能.结果表明在规定的工作空间内机构具有良好的可操作性、运动灵活性、刚度特性和力矩传递性能.最后运用牛顿–欧拉法建立了机构的逆动力学方程,得到了驱动力、约束力与运动参数的关系,并给出了仿真实例.

2-UPS/RR并联髋关节助力机构及运动性能

为了帮助髋关节受损的患者完成行走运动,提出了一种适用于髋关节助力的2-UPS/RR并联机构.该机构不仅可以满足髋关节助力所需要的前屈/后伸、内收/外展、内旋/外旋运动,还可以保证机构的旋转中心与不同患者的髋关节旋转中心重合.计算了自由度,并应用解析法给出了机构的位置反解,建立了速度雅克比矩阵,通过对驱动参数的限定,求解了机构的工作空间.最后,基于雅克比矩阵,对比分析了分别驱动移动副和虎克副2根旋转轴时机构的运动学性能.结果表明:在规定的工作空间内驱动移动副时,机构具有良好的可操作性、运动灵活性和刚度特性.相比当前的髋关节助力机构,其结构简单,有效避免了支链间不必要的干涉,减小了整个机构的占用体积.设计的该机构适合髋关节助力训练.

高效直驱推进电机设计方法

针对推进特点,分析高效推进电机的外负载特性;以效率为出发点,对推进电机进行总体设计;从铁损、铜损、谐波损耗角度出发,对电机进行降低电磁损耗的优化设计;从轴承摩擦损耗、转子风摩损耗角度出发,对电机进行降低机械损耗的优化设计。

介质与静压对激波管校准压阻式绝压传感器动态特性的影响

激波管通常用于动态压力传感器的校准,压阻式绝压传感器在激波管校准过程当中,会出现谐振频率等动态性能指标随着激波管静态压力环境、气体介质变化而改变的情况,影响传感器动态特性的校准。基于压阻式传感器的工作原理,对传感器的敏感膜片结构进行了机理分析,建立了膜片结构与校准环境中介质和静压关系的动态模型;通过ANSYS与SIMULINK软件开展了数值模拟验证工作,模拟结果与理论推导一致。通过激波管校准实验验证了气体介质与静压的影响关系,结果表明:传感器的谐振频率与静压间存在非线性关系,并且随着敏感膜片径厚比的增大而显著增大;系统阻尼比大小与气体介质有关,随着气体密度的降低而升高;传感器的灵敏度与气体介质和静压无太大直接关系。在使用激波管校准压阻式绝压传感器时,应当考虑介质与静压参数对校准结果的影响。

考虑主平面夹角的行星滚柱丝杠副接触特性

基于微分几何原理,利用丝杠、滚柱和螺母螺纹滚道的曲面方程得出各零件在接触点处的主曲率以及主方向。通过建立全局坐标系,确定了不同零件在全局坐标系下的旋转坐标变换关系,计算出滚柱丝杠侧和滚柱螺母侧主平面之间的夹角。其次,根据Hertz接触理论,求解出接触椭圆的偏心率,研究了不同结构参数对接触特性的影响规律,与夹角ω=0的简化方法得到的结果进行了对比。结果表明:主平面夹角在整个接触过程中保持不变;螺距和牙型半角对椭圆偏心率的影响不是线性关系,忽略主平面夹角会对偏心率的求解带来较大误差;主平面夹角会对接触椭圆面积产生影响,但影响程度较小。

基于压电叠堆的液体高频正弦压力激励源研制

利用压电叠堆驱动封闭管腔中液体介质进行正弦运动,以实现液压管腔中压力的正弦变化。依据压电叠堆的压电效应和管腔谐振原理,设计了单压电叠堆和双压电叠堆两种结构形式的高频正弦压力激励源,并对两种装置进行了对比。研究结果表明:双压电叠堆式装置产生正弦压力的方式新颖,工作频率高达30 kHz,产生的正弦压力幅值大,正弦波形失真度小,且在同一频率下可调节正弦压力幅值与波形,可满足压力传感器和测试系统对动态压力的计量与校准需求。

并联2-UPS/RRR踝关节康复机构及运动性能分析

为了帮助患者恢复踝关节运动能力,在分析现有踝关节康复机器人机构的基础上,提出了一种简单、实用的3自由度2-UPS/RRR并联机构.该机构约束支链与动平台的设计,保证了机构的旋转中心与不同患者的踝关节旋转中心重合.计算了自由度,并应用解析法给出了机构的运动学逆解,建立了速度雅可比矩阵,通过对驱动参数的限定,求解了满足训练要求的机构工作空间.最后基于雅可比矩阵,仿真分析了机构的运动学性能,结果表明在规定的工作空间内机构具有良好的可操作性、运动灵活性和刚度特性.而且机构采用非冗余电动机驱动,结构简单,有效避免了支链间不必要的干涉,减小了整个机构的占用体积,相比当前的踝关节康复机构更具优势.

基于被动连接关节的下肢康复外骨骼机构设计

传统的下肢外骨骼机构设计一般基于人机关节对应、杆长一致的设计理念,但是从机构学角度来看,这是一种过约束的人机闭链机构,存在人机运动干涉的弊端。本文探索了人机相容的下肢外骨骼机构的设计方法。基于人体下肢关节运动学特性建立下肢运动学刚体模型,使用Hunt多环空间机构自由度公式设计下肢康复外骨骼机构自由度配置方案。根据自由度配置方案进行下肢外骨骼机构构型与综合,获得9种人机相容的下肢外骨骼机构自由度配置方案,选出最优方案,最终构型出优化的下肢康复外骨骼机构。