针对气动肌肉仿生肘关节抖振现象的Kalman-PID控制

本文为了抑制气动人工肌肉(PAM)抖振现象,首先利用PID控制律近似代替其数学模型,求得其离散状态方程并代入到离散卡尔曼递推公式中,进而提出基于PID控制参数的卡尔曼PID(Kalman-PID,KPID)控制算法.为了验证算法的有效性,以3自由度PAM仿生肘关节为控制对象,分别利用PID及KPID控制器对其进行位姿控制.由实验结果可知,该算法相较PID控制器拥有更高的控制精度,提升了系统的鲁棒性,能够有效抑制由系统过程误差及测量误差所引起的PAM抖振现象,从而使仿生肘关节运动更加平稳.此外,不同于传统卡尔曼滤波算法与控制算法相结合的方式,KPID控制算法无需事先知道被控对象精准的数学模型及噪音特性的先验知识,从而避免复杂的数学建模过程,扩大了卡尔曼滤波算法的应用范围.

PAM仿生肘关节运动学逆解建模及验证

针对三自由度气动人工肌肉(PAM)仿生肘关节,首先利用伪刚体模型法,建立其运动学逆解数学模型;其次,根据上述模型对机构运动学逆解进行仿真分析;最后,搭建气动肌肉仿生肘关节的仿真系统模型,利用所建运动学逆解模型实现对机构虚拟样机的PID控制。由仿真结果可以看出,在设计工作空间内,三根气动肌肉长度变化连续、平稳,说明机构在运动过程中,具有良好的平滑性;且通过调节PID参数,机构前臂圆盘转角轨迹曲线与期望轨迹曲线基本吻合,从而验证了机构运动学逆解模型的准确性。

SMA-电机复合驱动仿生肘关节的控制策略与仿真

针对SMA-电机复合驱动仿生肘关节控制非线性、时变、温度滞后等特点,提出了一种双输入-四输出的模糊控制算法,建立模糊PID自适应控制模型,求解复合驱动仿生肘关节在阶跃响应及理论轨迹下的动作状态,得到了仿生肘关节旋转和俯仰运动的位姿、角速度跟踪图谱。实验证明:设计的双输入-四输出的模糊PID自适应控制算法具有超调量小、系统鲁棒性高、响应速度快的特点,可以实现SMA-电机复合驱动仿生肘关节的精准位姿控制。

一种新型变刚度关节结构设计

为研制出一种符合人体肘关节参数的变刚度关节结构,使其在实际应用中能更好帮助到人类.以人体肘关节为例提出了一种符合人体关节形态的变刚度关节结构.在关节中采用了弹簧片、行星轮系和曲柄滑块机构.通过两台电机分别驱动太阳轮和外齿圈,将行星轮的转动转化成滑块的移动,从而改变弹簧片的支撑位置并改变关节的刚度.与其他同类设计相比,所提出的关节在结构和布局方面更符合人体关节的结构形态,可应用于其他关节的设计.

龙虾节肢仿生的双板滑雪服衣袖肘部结构优化设计

[研究意义]随着滑雪运动愈加普及,滑雪服市场也愈加扩大,滑雪服能否满足运动需求是滑雪者选择滑雪服的重要影响因素之一,文章旨在探索一种新的结构设计方法,使滑雪服衣袖肘部结构充分满足运动松量需求,[研究方法]文章从仿生设计角度出发,通过查阅文献、对比分析、数值分析、三维模拟等方法,将节肢动物龙虾的外骨骼结构特征与双板滑雪服衣袖肘部结构相结合,进行创新设计。[研究结果与结论]研究认为:①滑雪过程中人体肘关节屈曲至90°前后的变化率与龙虾运动时其背部的弯曲变化率差别不大,在5%左右,总体来看肘关节拉伸变形趋势与龙虾背部运动弯曲变化趋势大体相符。②滑雪服衣袖肘部需优化设计的范围为13.8cm,肘线以上分配6.8cm、以下分配7cm,此范围共分为3个小节、4个插片,小节设置为中间长3cm、两侧长2cm的不规则长方形,插片设置为短轴长1.2cm、两头尖的纺锤形。③优化设计后的滑雪服衣袖肘部在手臂伸直状态下无过多面料堆积和凸起,在肘关节屈曲至120°时,肘部仍剩余部分松量,能够极大满足双板滑雪时手臂运动需求。

3D打印半肘关节型全肱骨假体的设计及功能评估

目的探讨新型3D打印半肘关节仿生型全肱骨假体的设计、手术要点及短期随访结局。方法回顾性分析2018年3月至2020年3月北京大学人民医院行全肱骨切除、3D打印辅助半肘关节型全肱骨假体置换术的8例肱骨恶性肿瘤患者的临床资料。分析其手术情况、肿瘤学预后、假体并发症及功能状态。8例患者中,男性3例,女性5例,年龄5~37岁;骨肉瘤5例,尤文肉瘤2例,软骨肉瘤1例。结果假体生产周期为(9.8±2.7)d,手术时间为(209±23)min,术中出血量为(569±173)ml。术中假体植入顺利,无术中并发症。术后并发症包括1例桡神经麻痹和1例局部复发(行截肢术)。使用LARS人工韧带或疝补片重建肩关节和肘关节周围关节囊及肌腱韧带附着。术后屈肘活动度为(118±15)°(100~140°),伸肘受限度为(11±9)°(0~25°),肩关节外展(28±12)°(15~50°),肩关节前屈(26±9)°(15~40°)。术后美国肌肉骨骼肿瘤学会(MSTS)-93量表功能评分为(24.1±1.5)分。中位随访时间17个月(12~32个月),7例患者无病生存,1例带瘤生存。结论新型3D打印半肘关节型全肱骨假体具有良好的围术期安全性,可有效恢复肘关节功能,解决了全肘关节型假体尺骨髓内柄应力集中的问题,降低了假体的远期磨损率和松动率。