智能仿生腿结构设计与运动学建模研究

智能仿生腿作为下肢残缺者辅助行走的工具,用以补偿下肢截肢者残肢侧运动功能,其本体结构设计包括髋、膝、踝三个位置的结构设计。文章利用三维辅助设计软件PRO/E进行仿生腿结构设计建模研究,介绍了仿生腿的主要关节结构-髋、膝、踝三个关节的结构设计及其驱动设计过程,将人工肌肉作为仿生腿膝关节驱动方式,提高了膝关节的拟人性。通过拉格朗日方法对仿生腿的支撑相和摆动相建立运动学模型,推导并计算仿生腿运动学及动力学方程。最后,基于Matlab和Adams软件联合仿真功能进行了模型动力学仿真研究,结果证明所建立的模型可以实现假肢拟人步态。

人工肌肉驱动的仿生腿结构系统设计与仿真研究

基于三维辅助设计软件Pro/E进行了仿生腿模型结构设计和建模研究;介绍了仿生腿的主要关节结构——髋、膝、踝三个关节的结构设计及其驱动设计过程,论述了以人工肌肉作为仿生腿膝关节驱动方式的可行性,并基于Pro/E软件的Mechanism模块完成了机构仿真实验,验证了设计的准确性。

基于近似模型的重载仿生腿多目标优化

针对大型六足机器人在运动过程中腿部刚度不足和振动的问题,提出一种基于近似模型的多目标综合优化方法.建立有限元模型,分析各类复杂工况下腿部结构强度、刚度和模态频率等性能,确定仿生腿的优化空间.对仿生腿静态及动态性能建立参数化模型,定义相应的设计变量,采用优化拉丁超立方方法分别对仿生腿基节、大腿和小腿模块进行试验设计,获取初始样本点,拟合各模块响应面模型、克里格模型和径向基函数神经网络模型,通过误差分析选定精度最高的近似模型,并联合第二代非支配排序遗传算法,以静态刚度、质量和首阶固有频率为目标,约束最大应力,对仿生腿进行优化设计,对优化后的结果进行分析验证.结果表明,重载仿生腿经所述方法优化后,在满足结构强度的前提下,平地工况最大变形下降9.73%,斜坡工况最大变形下降9.46%,首阶固有频率提升3.45%,仿生腿总体质量下降8.63%.

连续碳纤维混合3D打印工艺及仿生腿性能研究

基于连续与短切碳纤维复合材料双喷头混合3D打印工艺原理,本文研究了连续碳纤维在实验样条中的排布方式,对3D打印中连续碳纤维的层间布局进行工艺规划,并应用于四足机器人仿生腿的制造,以增强四足机器人仿生腿的承载能力。根据不同工况下四足机器人仿生腿的受力分析及静力学仿真结果,得到仿生腿受力时理论应力集中部位,并由此设计承载力实验对仿生腿30°外展工况持续施加力至额定载荷;通过仿生腿在承载力实验中结构失效的部位与仿真时理论应力集中处的对照分析,证明了仿真结果的准确性。依据仿生腿侧面受力时结构失效的测试评估结果,对3D打印仿生腿中的连续碳纤维的布局进行合理工艺规划,在不增大连续碳纤维整体含量的条件下对应力集中部位进行选择性增强,可在提高3D打印性价比的同时使仿生腿的最大拉升强度提升至310 MPa,从而达到更优的承载作用。

异构双腿机器人仿生腿的设计与控制实现

提出具有可变瞬时转动中心的多轴膝关节,由多轴4联杆机构组成,具有仿生相似性·建立仿生腿的动力学方程,通过求解逆动力学问题的方法,得出最优步态下的膝关节控制力矩·通过传感器获得步态信息,从计算机中选择与该步态模式相应的力矩控制程序,每种步态模式由学习系统产生·选用磁流变阻尼器(MRDamper)组成的仿生腿反应迅速,动作灵活,与人工腿的步态更对称、更协调·

智能仿生腿的研究

首先在总结智能假腿发展的基础上,针对其新的发展趋势,引出智能仿生腿的概念和研究内容,并探讨了基于基本步态模式和有限状态机的仿生腿步态规划方法,全功能仿生膝关节的设计和稳定性分析;其次研究了仿生腿的控制以及生物信号在仿生腿中的应用;最后指出了智能仿生腿在信息交互、感知、能源动力等方面的发展动向.

仿生腿式地形自适应起落架构型与动力学分析

针对垂直起降飞行器在复杂地形环境下实现平稳着陆的难题,利用仿生学设计理念,以无人直升机为对象,设计了一种基于多连杆机构设计的仿生腿式起落架系统。通过对腿部机构进行运动学分析和动力学分析,建立相关模型,在此基础上,进行仿生腿式起落架的运动控制。首先,从无人直升机的着陆稳定性和承载能力出发,对仿生腿式起落架机械构型进行分析,并介绍了腿部各部分结构。然后,针对仿生腿腿部结构,通过几何法完成对腿部正运动学和逆运动学的求解,建立足端位置与驱动关节角度之间的映射关系。最后,基于运动学模型及四连杆运动学特性,对机体和单腿进行了动力学分析,并建模。通过建立的运动学和动力学模型,结合设计的起落架结构,完成动力学仿真,实现了仿生腿式起落架在复杂地形环境下的平稳着陆,验证了结构的合理性和模型的准确性。

四足机器人仿生腿结构特性及其控制系统研究

针对四足机器人整机对单个支撑腿的要求,对机械腿结构特性和控制系统展开研究。基于对四足动物腿部生理结构分析,提出具有两个主动关节和一个被动关节的四足机器人仿生腿结构,并完成运动学特性分析。通过分析仿生四足机器人控制系统功能与性能要求,提出具有开放性、模块化和结构紧凑特点的仿生四足机器人控制系统方案,基于DSP设计并实现仿生腿控制系统。实验证明仿生腿结构合理,控制系统稳定可靠且具有良好的扩展性,仿生腿系统可作为下层模块集成到仿生四足机器人系统。

仿生轮腿式爬梯底盘结构设计分析与应用

针对现有的以履带组合式、升降伸缩式、行星轮式、连杆式为底盘的爬梯装置在克服台阶等障碍物时统一存在的水平不稳定、动力消耗大和操作较难等问题,该文设计了一款可实现自调节底盘保持恒水平稳定的仿生轮腿式爬梯底盘结构。提出了以该结构为应用点的辅助老人上、下楼装置,完成了其机械结构方案设计、控制逻辑方案设计和核心零部件的运动学仿真分析及强度校核。基于FTdesigner技术搭建出物理样机模型并开展原理性、功能性和稳定性测试研究,试验与仿真数据表明,该装置完全自适应调节座椅水平度,具有功耗低、便捷度高、稳定性强等特点。

仿生四足六旋翼无人机自适应着陆性能分析

旋翼无人机在民用和军用领域被广泛应用,但传统橇式起落架在复杂地形下难以起降,为了扩大旋翼无人机的降落面积和应用范围,设计一种仿人腿式两级缓冲自适应起落架。通过对仿生腿的正逆运动学分析,提出一种自适应起落架姿态调整策略;建立仿生四足六旋翼无人机着陆动力学模型,基于多体动力学软件simcenter 3D开展着陆动力学仿真,并与传统橇式起落架进行着陆性能对比研究。结果表明:着陆腿式的两级缓冲自适应起落架及其姿态调整策略,能够使滚转角减小95.69%,过载系数降低34.06%,两级缓冲自适应起落架在面对复杂地形时具备主动调节姿态安全着陆的地形适应能力和极好的减震缓冲能力。

基于弹簧负载倒立摆模型的闭链弹性仿生腿设计

基于弹簧负载倒立摆(SLIP)模型的结构特性,提出一种面向高速奔跑的新型仿生闭链弹性腿结构。以猎豹的腿部骨骼肌肉系统为仿生对象,基于Stephensen-Ⅲ型连杆机构的构型进行演化设计,在腿部杆件结构中加入弹簧,并引入两杆三副,构建一种符合SLIP模型结构和弹性特性的八杆十副腿部机构。基于闭环矢量法对腿部机构进行运动学分析,采用对称弯月形曲线作为期望足端轨迹,提出一种将机构尺度综合分为腿部骨骼尺寸设计与曲柄摇杆尺寸优化的设计方法,得到了满足期望足端轨迹的结构尺寸。进一步采用拉格朗日动力学方程描述单腿足端地面反作用力与驱动力之间的关系。应用Adams软件建立动力学仿真模型,进行质心速度、质心垂直位移、弹簧变形量等仿真分析。经构型设计、运动学分析、动力学仿真和结构设计,验证了该新型闭链弹性仿生腿可实现快速的奔跑步态。

智能仿生人工腿CIP-ILeg性能仿真评估研究

该文对智能仿生人工腿(IBAL)--C IP-I Leg的结构进行了简单介绍,并提出了一全新的IBAL设计、仿真评估体系。依照该体系,建立了新型二级差动气缸的动力学模型,并利用三维造型技术和虚拟样机技术建立了C IP-I Leg与人体大腿残肢的虚拟样机模型。在分析正常人的步态数据基础上,对模型髋关节施加了预定轨迹并对大腿残肢进行运动规划。通过将针阀的最大垂直位移平分10档进行一组设计研究,初步完成了该虚拟样机模型在摆动相的运动学、动力学仿真分析。仿真结果表明,C IP-I Leg在摆动相期间具有良好的运动学及动力学性能;该虚拟样机模型能初步实现C IP-I Leg的仿真性能评估。

仿生轮腿式月球车运动学建模与虚拟样机仿真分析

根据动物运动的不对称性,设计了一种新型的仿生轮腿式月球车,其移动机构由4个结构相同的轮腿、车体支架以及转向支架3部分构成。在建立仿生轮腿机构坐标变换模型基础上,对月球车移动机构进行了运动学分析,建立了各跨步杆端部的正向运动学模型。基于COSMOS Motion软件对该月球车进行了运动学仿真,给出了移动机构各关节相对于车体质心参考坐标系下的运动轨迹曲线,并对其越障过程进行了虚拟样机运动仿真。仿真表明:该月球车的车身起伏度较小,可以平滑地完成越障跨步动作。

三自由度并联仿生机械腿尺度分析与优化

提出一种新型并联仿生机械腿,对该机械腿结构进行了尺度综合和优化。建立了该机械腿的位置矢量模型,推导了该机械腿的位置反解和速度映射方程,得到了速度雅可比矩阵。建立了机械腿的空间评价指标和运动灵巧指标,采用空间模型技术分析了结构参数对机械腿工作空间评价指标和运动灵巧性指标的影响规律。结合加工与装配的工艺性,应用基于性能图谱的多目标概率参数优化法,选取了一组合理的结构参数,为仿生机械腿的静力学分析、动力学分析、刚度分析、轨迹规划和运动控制奠定了基础。

具有不完全微分的Fuzzy-GA PID控制器及其在智能仿生人工腿中的应用

以模糊推理和遗传算法为基础 ,提出了一种新的具有不完全微分的最优 PID控制器的设计方法 .该控制器由离线和在线两部分组成 .在离线部分 ,以系统响应的超调量、上升时间以及调整时间为性能指标 ,利用遗传算法搜索出一组最优的 PID参数 Kp*、Ti*和 Td*,作为在线部分调整的初始值 .在在线部分 ,一个专用的 PID参数优化程序以离线部分获得 Kp*、Ti*和 Td*为基础 ,根据系统当前的误差 e和误差变化率 e,通过一个模糊推理系统在线调整系统瞬态响应的 PID参数 ,以确保系统的响应具有最优的动态和稳态性能 .该控制器已被用来控制由作者设计的智能仿生人工腿中的执行电机 .计算机仿真结果表明 。

一种弹性足式机器人腿部结构设计与分析

针对足式机器人在实现奔跑、跳跃等极限运动时,腿部会受到地面较大反向冲击力的问题,使用仿生学方法以猫科动物腿部骨骼肌系统为仿生对象,通过引入变刚度弹性杆件对闭链连杆机构进行优化设计,设计一种结构简单、能够有效储存地面反向冲击力并将其转化为运动时动能的足式机器人腿部机构;建立数学模型,对变刚度弹性元件进行定量分析,并采用矢量回路法对连杆机构进行运动学分析;建立优化前后两种单腿机构的虚拟样机,使用MATLAB软件设计控制系统,并应用ADAMS对虚拟样机进行行走、跳跃仿真,对优化前后两种腿部机构进行对比实验;在此基础上搭建实物样机,并进行实验验证。实验结果表明:所提出的足式机器人腿部结构具备可实现性,能够将来自地面的冲击力转化为运动的动能,提升足式机器人的跳跃高度。

仿生机械腿的最简形式

对仿生机械腿的基本运动要求是平稳,三关节四自由度机械腿是满足这一要求的最简形式.它的构件的运动的数学表达是一组复杂的行走函数,实现这一目标需要一个由匀速转动到行走函数摆动的转换器.凸轮式转换器与流行的转换方式相比有独特的优点.用轨迹图解法设计凸轮曲线是有效而实用的.

基于混合驱动仿生膝关节机构设计

目的针对传统假肢关节机构与驱动系统的不足,设计并实现由磁流变阻尼器结合直流电机混合驱动,滚珠丝杠传动的多轴闭链仿生膝关节.方法通过多变量优化设计方法求解出膝关节机构参数、滚珠丝杠安装位置参数和电机的角速度及扭矩.基于虚拟样机技术构建了智能仿生腿的仿真平台并在其上进行了运动学仿真.结果仿生膝关节与人腿膝关节运动曲线接近,结合电机驱动可实现更大范围的步速调整.结论该优化方法得到的系统参数可使膝关节机构具有很高的仿生特性及良好的运动特性.

异构双腿机器人结构建模与迭代学习控制仿真

异构双腿行走机器人(BRHL)是一种全新的类人机器人模式。首先阐述了BRHL的概念及研究意义。基于分割建模思想,推导出BRHL运动学、动力学方程。针对高阶微分代数方程组动力学正解问题,提出了一种带误差反馈控制的预估-校正数值积分方法。最后探讨了BRHL的控制方法并进行了仿真计算。结果表明,一阶P型开闭环学习控制能够很好实现仿生腿对人工腿步态的跟踪。

用磁流变阻尼器控制异构双腿机器人的仿真研究

介绍了磁流变阻尼器在异构双腿行走机器人中的新应用。首先给出了仿生腿选用MR阻尼器的依据,建立了修正的Sigmoid阻尼器模型;然后对阻尼器安装位置进行了优化;最后对BRHL进行了步态跟随优化及迭代学习控制仿真。结果表示,基于MR阻尼器控制的仿生腿能够很好的实现对人工腿的步态跟随,具有较好的仿人特性。