先天性心脏病患儿介入治疗术后髋关节约束器的研制与应用

[目的]观察先天性心脏病患儿介入治疗后应用髋关节约束器的临床效果。[方法]选择80例先天性心脏病介入治疗患儿,观察组介入治疗后应用髋关节约束器,对照组应用普通绷带局部加压包扎,观察比较两组制动效果及制动过程中渗血、出血、肿胀及假性动脉瘤等并发症发生率。[结果]观察组术后并发症发生率明显低于对照组。[结论]先天性心脏病患儿介入治疗术后应用髋关节约束器,既能起到制动作用,又能增加患儿的舒适度,减少术后并发症。

有关节约束超冗余机械臂的增益优化轨迹规划

为了实现超冗余机械臂的实时在线规划,本文提出一种基于雅克比转置矩阵的人工势场轨迹规划方法。轨迹规划不仅要满足末端跟踪精度要求,而且要满足关节速度和角度约束,关节速度主要由轨迹规划算法的增益决定,而增益的大小决定系统稳态性能的好坏,通过优化势场函数和使用加权关节速度,在避免关节限制的前提下减小关节速度范数,从而能选择更大的增益。使用蒙特卡洛法建立最大关节速度与增益的关系,从而确定增益范围。分别在点对点运动和轨迹跟踪运动中选取不同的增益证明算法的正确性和有效性,并在轨迹跟踪运动中引入速度前馈,通过李雅普诺夫稳定性定理证明算法稳定性。通过以超冗余机械臂为模型仿真验证,得出在点对点运动下末端位置偏差小于10-4mm,姿态偏差小于1×10-5rad;轨迹跟踪运动的位置偏差小于10-3mm,姿态偏差小于1×10-4rad。最后进行实验验证,虽然实验过程中轨迹偏差相比于仿真增加一个数量级,但仍符合实验任务需求。

基于关节约束的欠驱动五指灵巧手设计与验证

为满足护理机器人末端执行机构的灵巧性与手指姿态可控性要求,设计了一种基于关节约束的欠驱动五指灵巧手,该灵巧手结合电磁技术和变胞机构思想,可实现手指各自由度的单独控制。在所建立的欠驱动五指灵巧手食指模型基础上,开展运动学分析,获取工作空间范围;利用ANSYS Electronics软件,进行旋转关节电磁仿真研究;利用灵巧手的样机,开展包络抓取和精确抓取试验验证。结果表明,该欠驱动五指灵巧手利用旋转关节的电磁约束,可有效实现对自由度的单独控制,并使手指指尖到达工作空间边缘点。研究结果为实现护理机器人灵巧手的小型化、轻量化及灵活稳定抓取提供了新的选择。

足部跖趾关节约束对人体步态稳定性的影响

目的研究足部跖趾关节约束对人体步态稳定性的影响。方法在水平湿滑试验台上进行足部跖趾关节有、无约束两种状态下的步态实验,分析时空步态参数、运动学参数、动力学参数以及利用摩擦因数(utilization coefficient of friction,UCOF)差异。结果跖趾关节有约束状态下,人体行走平均步速减小50 mm/s,跨步长度缩小0.22 m,双支撑相时间缩短70 ms;跖趾关节约束会使髋、膝关节在矢状面内的活动范围显著增大,而踝关节活动范围减小。同时,跖趾关节约束状态UCOF幅值是无约束状态的1.15倍,表明人体滑跌的概率增大以及行走不稳定性增加。结论足部跖趾关节约束会降低行走稳定性。研究结果为足部趾屈运动康复设备的研发提供数据和理论支持。

带关节约束的非冗余机械手臂二阶逆运动学控制

针对关节限位和关节速度约束下的非冗余机械手臂控制问题,提出能够同时满足关节限位、关节速度约束的非冗余机械手臂二阶逆运动学算法.该算法将关节限位约束转换为带有时变阈值的关节速度约束,将时变阈值关节速度约束由真实关节空间映射到修正关节空间,变为固定阈值的关节速度约束;在修正关节空间通过加权最小二乘法,保证机械手臂运动过程中关节限位约束成立.该算法能够通过自适应调整权值矩阵满足关节速度约束,通过定理证明了该算法能够充分满足关节限位、关节速度约束.在三关节非冗余机械手臂上进行仿真实验,验证了该算法可以使闭环系统在实现轨迹跟踪的过程中保证关节限位、关节速度约束成立.

空间3-UPS并联机构关节约束反力分析

针对空间机构系统关节力计算复杂,对3-UPS并联机构关节约束反力进行力学分析,在考虑拉格朗日乘子与空间机构约束反力关系的情况下,基于拉格朗日增广法计算了该空间并联机构的关节反力,同时用牛顿欧拉法对其计算结果进行验证,通过Adams软件与Matlab软件联合仿真,并将两种计算结果进行对比分析。结果表明,两种方法计算所得该空间机构关节约束反力的大小基本一致,误差在0.5%~1.2%之间,误差相对较小,验证了通过引入拉格朗日乘子,运用拉格朗日增广法计算空间机构关节约束反力方法的正确性,为空间机构力学分析提供了一定的参考依据。

一种考虑关节跃度约束的实时刀具路径光顺算法

针对机器人加工过程中关节跃度超过约束的问题,提出一种考虑机器人关节跃度约束的刀具路径光顺算法。采用有限冲激响应滤波器插值算法对五轴刀具路径进行光顺处理,一步完成了路径光顺和速度规划。建立了关节与刀具之间的速度、加速度和跃度关系,通过调整时间常数保证了关节跃度不超过约束。考虑机器人关节加速度约束后,该算法计算出的时间常数更小。仿真和实验结果表明该算法能减小关节的跟踪误差,提高机器人的工作稳定性。

基于关节电机性能约束机器人的运动轨迹平滑规划

为了使机器人运动过程平滑,采用机器人的逆动力学特性,通过约束机器人关节电机性能得到一种运动轨迹平滑规划方法。该方法中平滑运动轨迹使用五次样条曲线,以笛卡尔空间粗插补和关节空间精插补相结合,在考虑关节角速度约束和逆动力学得到的关节力矩约束下,建立角速度和关节力矩等关节电机性能与粗插补周期的关系式,便可通过修改粗插补周期得到满足关节电机性能约束的平滑运动轨迹,避免因优化平滑运动轨迹而带来的大量计算,更容易操作。通过与三次B样条曲线插补算法规划的轨迹相比,结果表明:此规划能大大提升机器人关节运动的平稳性,减小冲击和振动对机器人运动的影响。

基于关节位置约束的仓储运输机械臂分拣控制

仓储运输机械臂分拣配送路径较为复杂,节点配送模式选择难度较大,难以保证分拣的准确性,为此提出了基于关节位置约束的仓储运输机械臂分拣控制方法。建立各机械连杆坐标系,采用PD控制器负反馈机制,优化操纵任意矢量。通过服务定位协议和射频标识技术构建包裹出库量的时间序列模型,计算仓库系统各功能模块模糊增益,获得包裹分拣的出库数据序列,明确节点配送模式。把关节位置约束问题转换为关节速度约束,将关节速度进行非齐次空间映射,调节关节的位移与权值,完成对关节位置约束校正,实现运输分拣控制。通过实验证明所提方法能够较好实现控制分拣,减少机械臂晃动,保证分拣的准确性。

关节速度约束下六轴机械臂空间运动轨迹规划方法

六轴机械臂在空间运动时,极易因速度和加速度突变导致运动轨迹出现随机波动,无法做连续性的运动。基于此,提出一种关节速度约束下机械臂空间运动轨迹规划方法。从运动学正解和逆解2个方面对机械臂建模,利用上关节D-H法分析同一位姿下,基座与末端执行器间的总变换过程。将不同的关节转角组合,辅助后续最优轨迹规划。利用三次和五次多项式插值构建末端执行器的插值函数,以执行器在不同坐标下关节角度为参考变量,求得角度、角速度和角加速度的值,完成运动轨迹规划。仿真实验表明,所提方法的运动轨迹可保证机器人平稳运行,连续性得到提高,从起始点至终止点整个过程中都没有出现明显震动情况。

基于GWLN方法的冗余机械臂关节力矩约束控制

针对冗余机械臂受到的关节驱动力矩有限的约束,提出基于广义加权最小范数法(GWLN)的算法.通过引入辅助变量,考虑重力和科里奥利力的影响,排除现有方法对机械臂低速运行的假定.在逆运动学求解时,对扩展变量的加权范数优化,使得规划关节加速度所需的力矩指令保持在驱动器输出范围之内.该算法的有效性通过数学证明得到验证.在MATLAB ROBOTIC TOOLBOX中对PUMA560机械臂的仿真结果证实,基于GWLN方法控制的机械臂在遵循关节力矩约束的同时,准确地完成操作任务.同零空间力矩优化方法及现有加权方法的仿真结果对比显示,基于GWLN方法的控制算法能够更加有效地保证力矩约束,具有更好的稳定性.

基于骨架关节点约束的交互式局部变形

利用广义元球变形技术,提出一种基于骨架关节点约束的交互式局部变形方法。该方法提取多边形网格模型的骨架关节点并结合模型骨架图结构确定骨架关节点对应的局部区域,计算三维网格点到骨架节点的欧式距离,将约束区域的最大欧氏距离作为约束半径,得到各骨架节点对应的势函数值,通过控制骨架节点的空间位置给出三角形面片点的新坐标位置。实验结果表明,该方法有效保持多边形网络模型的局部特征,并确保了模型变形的直观性和高效性。

人体关节约束的运动建模实时逆运动学算法

随着现代计算机信息技术的不断发展,计算机图形学成为学术界研究的热点,尤其是人体关节约束的运动建模,其在社会多个领域中均有着不同程度的应用。作为人体运动关键技术,逆向运动学方法对于运动实时建模有着重要的作用。研究给予人体骨骼关节长度对传统循环坐标下降算法予以改进,其产生的运动效果自然流畅,将生物分子运动模拟的SHAKE算法引入其中,提升了短距离运动建模的效果。在此基础上对多个节点同时运动的解析算法进行模拟,得到多个节点共同作用下的人体运动仿真。与运动捕捉实测数据比较,该算法结果在视觉效果上具有一定的相似性,具有较高应用价值。

基于关节自由度约束的上臂轴旋转跟踪误差补偿

针对外敷跟踪器下皮肤组织滑移(Soft Tissue Artifact,STA)引起的人体运动跟踪中上臂轴旋转角位移跟踪误差问题,基于关节自由度约束,提出一种利用相连肢体相对位姿矩阵分解的在线STA误差补偿角度计算方法.首先,利用一组不包含上臂轴旋转的上肢运动轨迹跟踪信息,基于关节点位置连续和旋转自由度约束,通过优化方法计算各肢体分段坐标系到相应跟踪器坐标系的位姿变换矩阵;然后,上肢实时运动跟踪时,对上臂和小臂相对姿态矩阵引入上臂轴旋转STA误差补偿运动,在肘关节两旋转自由度的基础上进行3自由度的旋转矩阵分解,得到STA误差补偿角度.4人上肢运动跟踪实验表明:在不同肘关节内曲角度条件下,均能有效在线修正上臂轴旋转STA跟踪误差,且在旋转角度较大时,补偿精度优于线性STA误差补偿方法.

考虑关节角加速度约束的仿人机器人偏摆力矩控制方法

针对仿人机器人步行过程中存在的机器人关节角加速度约束影响控制性能的问题,提出一种考虑关节角加速度约束的仿人机器人偏摆力矩控制方法.该方法充分考虑了双臂在摆动过程中对偏摆力矩的影响,根据力矩平衡条件得到需要抵消的偏摆力矩的大小与方向,将偏摆力矩的控制问题转化为带约束条件的二次规划问题,并设计了一种在线变步长迭代算法计算得到优化后的双臂摆动轨迹.实验表明,该方法能有效抵消机器人步行中产生的偏摆力矩,避免控制过程中的"削峰"现象,有效提高机器人的步行稳定性.

基于关节运动约束机器人高精度NURBS插补法

提出了一种面向工业机器人NURBS曲线的刀尖速度规划及高精度插补算法。基于传统的S速度规划,引入速度约束与时间约束的自适应算法;实现刀尖点运动学约束与关节运动学约束之间的解析映射;构建最大进给率、最大加速度约束预设值,在双向速度扫描中带入修正后的各约束及端点处的速度极值;采用了基于弧长参数化的补偿插补策略,解决累计误差问题;用平面S形路径对算法进行测试,验证了该方法的适用性和准确性。

人体运动建模的实时逆运动学算法

人体运动的虚拟仿真及建模是当今计算机图形学研究的一个热点,而逆向运动学方法则是求解人体运动的一项关键技术.为了实现人体运动建模,提出一种新颖的基于人体关节约束的实时逆向运动学算法.首先基于骨骼长度改进了传统的循环坐标下降(CCD)算法,使其生成的运动效果更加流畅自然;然后引入生物分子运动模拟中的SHAKE算法,使短距离运动建模效果更加高效、鲁棒.在此基础上,提出了模拟多个节点同时运动的解析算法,以获得在多个关节点共同作用下的人体运动仿真效果.同运动捕捉的实测数据相比,采用文中算法所得的结果与在视觉效果上非常接近,并通过实验证实了其应用价值.

四足步行机器人动力学模型及脚力分配的研究

推导了四足步行机器人的动力学模型,在此基础上利用平方规划方法研究开发四足步行机器人脚力分配的新算法.这种方法既考虑电机模型,分析了四足步行机器人的关节驱动约束条件,又结合摩擦等约束分析及转换,建立了机器人多约束方程,利用平方规划提高解的质量,并缩减解的规模.最后通过实例验证了该算法的优越性.

一种改进的机械臂逆运动学阻尼最小二乘算法

研究了机械臂的逆运动学求解问题,给出一种阻尼最小二乘算法.经典阻尼最小二乘算法的表现依赖于阻尼系数的选取.提出的算法不依赖于阻尼系数,只要阻尼常数为正数,通过适当选取每一步的更新步长,就可以保证算法收敛.此外还考虑了存在关节约束时机械臂的逆运动学求解问题,给出了一种保证关节角不超出其的允许范围的阻尼最小二乘算法.最后给出了两个仿真算例,证明了提出算法的有效性.

新生儿床边拍摄X线胸片两种固定体位方法的效果评价

[目的]探讨新生儿床边拍摄X线胸片时固定体位的最佳方法。[方法]将2012年4月-6月采用手足约束带法固定体位的519例新生儿作为传统组,2012年8月—10月采用关节棉带约束法固定体位的532例新生儿作为改良组,对两组新生儿固定体位方法的拍片成功率、照片质量和固定体位耗时等评价指标进行比较。[结果]传统组新生儿拍片固定体位耗时(145.20±16.67)s,改良组为(131.11±8.57)s,改良组明显短于传统组(P<0.05);传统组拍片重拍者61例、废片57例,改良组重拍者8例、废片5例,改良组均明显优于传统组(P<0.01)。[结论]新生儿床边拍摄X线胸片时应用关节棉带约束法固定体位,能有效提高新生儿拍片的一次成功率和照片质量,且耗时短。