仿生膝关节虚拟样机与协同仿真方法研究

设计用于仿人机器人的四连杆封闭链膝关节。以仿生膝关节研发为实例,提出用虚拟样机协同仿真进行系统仿真。研究用Pro/E,ADAMS和Simulink相联合的组织内部协同仿真方法。建立了四连杆仿生膝关节和机器人腿虚拟样机,并详细给出异构层次化模型协作方法和迭代学习控制协同仿真方法,进行了仿真实验。虚拟样机协同仿真方法面向多领域,可避免复杂的人工建模和求解过程,仿真逼真且接近实际系统,为四连杆仿生膝关节提供好的研究方法。

双足机器人四连杆仿生膝关节的研究

机器人关节通常采用二连杆单轴关节,仿生特性不强。结合生物医学人体关节研究成果,研究了一种四连杆封闭链仿生关节;给出了一种由四连杆机构组成、智能MR阻尼器控制的多轴仿生膝关节机构;并与人腿膝关节对比分析了四连杆膝关节的仿生特点;通过多变量优化设计方法求解膝关节机构和阻尼器安装位置参数;并建立了仿生膝关节的虚拟样机,进行仿真,结果表明四连杆关节有好的仿生特性。

四连杆仿生膝关节机构优化设计

针对四连杆仿生膝关节能实现人腿自然步态的仿生特性要求,考虑摆动期灵活性,以踝关节中心点轨迹与实际人腿相应轨迹误差的均方根最小为优化目标,提出四连杆仿生膝关节尺寸参数的优化数学模型,采用二次规划方法对其进行优化设计,并通过MATLAB的中型算法来实现。通过运动仿真得到踝关节中心轨迹与实际轨迹吻合良好,能够获得自然人腿步态,并得到‘J’形膝关节瞬心轨迹,充分验证了其良好的运动仿生性能。最后,对支撑期速度瞬心位置进行分析,并针对支撑期稳定性提出采用智能磁流变阻尼器的承重自锁方案。

基于张拉整体结构的仿生膝关节机构设计

在研究人体膝关节生物特征和运动机理的基础上,基于张拉整体结构,通过等效映射和仿生设计方法,构建了基于C4S2平面张拉整体结构的仿生膝关节机构映射模型,并采用机构构型分析方法,验证了机构稳定性。在满足人体膝关节刚柔耦合特征的基础上,利用反向动力学方法,完成了弹簧刚度匹配,实现了运动学求解,并通过Adams对该机构进行了仿真模拟,结果表明,仿生膝关节机构满足人体膝关节运动范围。通过弹簧形变量仿真结果与理论计算结果的对比,以及仿真运动模拟与实验测试的对比,验证了所提出基于张拉整体结构的仿生膝关节机构理论和设计的有效性和可行性。所设计的仿生膝关节机器人机构具有灵活性、半自主复位和自锁的特性,满足仿生设计要求。

下肢外骨骼膝关节优化及人机控制仿真

为使所有人体差异的残疾和运动障碍患者术后达到舒适性康复的目的,避免患者穿戴下肢外骨骼多次尝试的困扰,提出一种快速获取人体步态优化算法,该算法首先以一人身高数据为例结合CGA数据,由四杆机构模拟人体膝关节运动,利用MATLAB优化算法得到四杆机构的杆长并得出人体膝关节的瞬心轨迹,将其应用于下肢外骨骼的可调膝关节使人体穿戴外骨骼组成人机模型,但人机耦合的膝关节角装配的机械误差较大。利用ADAMS和MATLAB-Simlink联合仿真的PID控制人机模型,使人机耦合模型的膝关节变化的角度误差尽可能减到最小。人机模型在优化后关节误差由2°减小至0.2°左右,使运动障碍患者在康复过程中达到人机交互舒适性的效果。

人工关节多目标优化算法研究

针对传统机器人关节难以满足现代机器人越来越高的性能需要,根据仿生学原理,模拟生物体结构设计了人工肌肉驱动的仿生膝关节。为了使仿生膝关节在要求的运动范围内有最优的有效力传动性能,建立了该仿生膝关节传动角的多变量非线性数学优化模型,对其仿生结构进行了结构优化。通过仿真对比分析,优化后的结构比优化前的结构在有效力传动性能方面有了较大提高。本文为仿生关节的设计及优化提供了一种新的思路。

行走机器人控制策略与开闭环学习控制

主从式双腿协调控制用于异构双腿行走机器人可减少规划量,控制的关键是步态轨迹跟踪.仿生膝关节使机器人步态更加仿人;但仿生腿模型复杂,跟随人工腿步态控制困难.P型开闭环迭代学习控制结合开环和闭环学习控制优点,不依赖于模型,适用于复杂机器人轨迹跟踪控制.从开闭环结合角度,证明了算法收敛性.算法在虚拟样机上的仿真表明算法有效、鲁棒性好且收敛速度优于单独开或闭环学习控制.

异构双腿行走机器人机构优化设计

为了给智能仿生腿的开发提供一个理想的研究平台,提出了异构双腿行走机器人(BRHL)这一全新的类人机器人模式.阐述了BRHL的概念及研究意义,介绍了BRHL双腿机构的仿生设计.由于双腿机械结构类似,以仿生腿为例推导了BRHL的运动学模型.论述了BRHL的优化原则、目标函数及约束条件.利用处理好的正常人体步态数据对BRHL进行了优化设计.优化结果表明,BRHL能够较好地实现拟人步态,是智能仿生腿的理想研究平台.

基于张拉整体结构的仿生腿式机器人设计

为提高传统仿生腿式机器人的适应性并简化控制系统,提出了一种基于张拉整体结构的仿生腿式机器人。根据人体腿部的生理结构和运动机理,建立腿部的Snelson X形张拉整体结构等效模型,并通过结构稳定性分析和运动学分析给出了结构刚度匹配方法。通过将旋转和平移运动分离来实现膝关节旋转中心的移动,利用平面四杆机构的死点实现机器人站立时膝关节的锁定;然后通过曲柄滑块机构和位移放大机构实现联动解锁,从而实现人腿行走过程中膝关节的刚-柔转换。最后通过单个电机驱动仿生腿式机器人进行物理样机测试,验证所提结构的有效性和实用性。