7自由度仿人机械臂工作空间求解的降密蒙特卡洛法

针对蒙特卡洛法和改进蒙特卡洛法在求解机械臂工作空间时存在精度不够准确和加密点云浪费的问题,提出一种降密蒙特卡洛法.首先,基于蒙特卡洛法中随机点分布不均的特性,对机械臂初始工作空间进行均匀加密,使空间的内部与边界区域分明;然后,采用扩展关节角度和循环加密随机点的方式,只对边界区域进行加密,达到降低工作空间随机点云密度的目的;同时,还研究了该方法中初始点云数量、各轴向分割体素数量、精度阈值、扩展关节角度和循环次数等参数对工作空间精度的影响;最后,通过仿真分析对降密蒙特卡洛法的有效性进行验证.结果表明:相比于蒙特卡洛法,降密蒙特卡洛法在工作空间平均误差率为0.022 42%时,总随机点云数量降幅为93.89%;相比于改进蒙特卡洛法,在循环次数为2次和4次时,降密蒙特卡洛法工作空间的平均误差率分别降低0.138 53%和0.113 29%,总随机点云数量降幅分别为44.83%和64.52%.

多电机耦合驱动式仿人机械臂设计与传动特性分析

针对传统仿人机械臂载荷与自重比低的问题,提出一种多电机耦合驱动式仿人机械臂。根据人臂的运动特性,确定串联结构下的仿人机械臂构型,并将机械臂划分为肩关节模块、肘关节模块和腕关节模块。分析单电机驱动单关节的绳索传动特性,推导该模型下电机与关节的扭矩映射关系和转角映射关系。研究各模块中多电机耦合驱动多关节的电机布局和绳索绕线方式,解释各模块中多电机耦合后的工作原理,推导各模块中电机与关节的扭矩映射关系和转角映射关系。并通过实验验证各模块中映射关系的正确性,以及各模块关节的承载能力。结果表明:多电机耦合驱动方式在保证质量的前提下,可以有效提高各关节的承载力,为仿人机械臂的设计提供理论依据。

兼具安全性与柔顺性的步行康复训练机器人交互方法

提高弱机能群体使用助行机器人的柔顺性和安全性是人机交互领域重要的研究内容。本文提出一种能够兼顾柔顺性、安全性与便捷性的步行康复训练机器人非接触式柔顺控制方法。首先,分析自主研制的步行康复训练机器人结构、功能及工作模式。为准确识别使用者步态意图,研发了一种多通道近距离传感器,并结合机器人的机械结构,搭建了机载内嵌式双腿动态意图识别系统,实现了对双腿步态的实时检测。然后,为提高交互柔顺性,提出一种改进粒子滤波算法,解决了传统粒子滤波算法多次迭代过程中粒子退化问题。最后,通过引入步态速度补偿,设计了具有紧密跟踪人体步态功能的柔顺化控制方法并进行综合性实验。实验表明,本文提出的方法在确保人机交互安全性的基础上,可精确且柔顺地控制机器人的运动状态,从而紧密地跟随人体步态。该非接触式控制方法可以应用于具有类似结构的助行机器人,以及弱机能群体的日常助行与步行康复训练。

基于上臂关节角度和肌电信号的二自由度假肢控制方法

肌电信号的采集易受到空气湿度和皮肤表面汗液等多种随机因素的干扰,使采集到的肌电信号极不稳定.为了应对此问题,市售的肌电假肢普遍采用基于开关量的控制方法,但是开关量对多自由度假肢的控制依赖于顺序动作切换,这使得假肢的实际使用过程比较繁琐.利用肢体运动学信息的假肢控制方法常见于下肢假肢,这是因为上肢的运动受抓取物体的形状和位置等因素变化,其肢体运动的规律性较差.本文提出一种利用上臂关节角度和肌电信号的控制方法,利用人体在抓握时肩关节的运动模式区分使用者对不同形状物体的抓握,并将此方法应用在二自由度假肢的控制中.通过与开关量控制的假肢在日常物品抓握实验中的对比,表明本文所提出方法在稳定性和使用效率方面都优于开关量控制的方式.

兼顾多动作与轻量化的仿生假肢手设计创成

假肢手的动作数量与轻量化之间存在矛盾关系,为兼顾两者之间的平衡,满足假肢手多动作和轻量化的要求,该研究通过分析人手的16种日常抓取动作,设计了一种合理的电机驱动结构。该结构在四指中应用了多关节同时屈曲传动,在拇指中应用了定轨迹适应性传动,掌骨使用可自动切换为弧面和平面的对称弹性串联驱动式传动,以及配置五指的自动伸展,将这些机能融合在假肢手中,仅用3个电机实现了11种假肢手动作,达到了132.1 g的轻量化设计。该文还通过肌电信号结合神经网络算法,实现了假肢手直觉控制,并验证了其具有良好的抓取稳定性和操作性。