人机携行外骨骼负重上楼梯的动态建模与仿真

研究外骨骼在不同负重情况下上楼梯时各关节驱动力矩变化规律。基于西南交通大学第三代人机携行助力外骨骼机器人,首先运用D-H法推导了外骨骼的运动学模型,研究外骨骼各个连杆之间的相对运动与位姿关系;其次,基于拉格朗日方法构建了外骨骼动力学模型,并进行了动力学仿真分析;最后,将拟合得到的人体步态周期数据作为基于Adams环境中外骨骼在不同负重情况下上楼梯动力学仿真中的驱动函数,得到各关节驱动力矩数据。所得结果验证了运用拟人建模方法辨识外骨骼机器人动力学模型的有效性,为外骨骼在负重上楼梯环境下的系统驱动和控制提供了理论基础,增加了人机携行性。

人机携行外骨骼负重上斜坡动态建模与仿真

为了实现下肢外骨骼的精确控制,对外骨骼在不同负重下上斜坡过程中各关节力矩进行了分析。基于西南交通大学第三代人机携行助力外骨骼机器人,运用拉格朗日方法建立了外骨骼动力学模型,得到各关节力矩计算表达式;通过三维动作捕获系统得到下肢运动数据,利用Matlab软件计算出关节所需的驱动力矩,得出在上斜坡过程中的力矩变化规律;在SolidWorks软件中建立外骨骼三维模型,将其导入Adams软件中进行动力学仿真,并与理论计算结果进行对比,验证了仿真结果的可靠性。研究结果能够提升在外骨骼上斜坡过程中控制结果的准确性以及人体穿戴外骨骼的舒适性。

面向阶段任务的携行器材品种确定方法

维修器材是有效实施维修保障的物质基础,携行器材品种确定是开展维修器材携行决策的关键。针对执行阶段任务武器装备维修器材品种多、影响因素复杂且关联关系不明确造成的携行器材品种确定困难的现实问题,提出了一种将改进稀疏核主成分分析(sparse kernel principal component analysis,SKPCA)算法与长短时记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络模型相结合的阶段任务携行器材品种确定方法。在分析与任务阶段时序相关的携行器材影响因素及特征指标的基础上,运用基于弹性惩罚的SKPCA降维算法,对器材特征进行降维分析并得到低维稀疏特征向量,通过缩减数据容量增强特征指标的可解释性;运用混沌序列改进花授粉算法(flower pollination algorithm,FPA)优化LSTM超参数,构建混沌FPA-LSTM预测模型,精准进行携行器材品种确定。通过对演习携行器材品种确定算例分析验证了所提方法的科学性和可行性。

面向任务的作战单元携行备件配置优化方法研究

备件是作战单元的重要保障物资,能够使故障设备迅速恢复战斗力并投入作战使用。提出一种基于等效寿命转换的冗余系统备件需求计算方法,根据可修备件控制理论,以任务成功概率为目标函数,建立了基于多阶段任务的携行备件动态配置模型,通过引入拉格朗日约束因子,提出了多约束条件下的备件方案优化方法。通过算例,对结果进行了分析,计算得到的携行备件方案能够满足所有约束条件,并且与Extend Sim仿真结果之间的偏差小于3%,验证了该模型的正确性,为面向任务的携行备件优化提供了一种解决思路。

基于蒙特卡洛仿真和并行粒子群优化算法的携行备件优化

为提高携行备件方案优化模型的准确性和求解的精确度,以遂行远海训练任务的舰艇编队为研究背景,针对优化模型的建立和求解提出了一系列改进措施。在传统优化模型的基础上,分析了虚警和串件拼修对备件的影响,建立了基于携行能力、备件成本、装备可用度、同型号装备群完好率等多约束条件的携行备件优化模型;利用粒子群优化(PSO)算法确定备件的优化配置,利用蒙特卡洛仿真法计算配置方案的保障效能;引入云格计算技术实现PSO算法的并行求解,从硬件性能上提高算法的全局寻优能力;将普通粒子转化为量子粒子实现解的多样化,减小了算法陷入局部最优的危险。案例分析证实了改进措施的可行性和有效性。

k/N系统维修时机与备件携行量联合优化

针对任务期间舰载k/N系统的维修保障问题,以出航准备阶段维修与携行备件的配置为背景展开研究。结合k/N系统的使用及维修过程,以部件可修为前提建立了维修与携行备件的联合优化模型。模型以装备使用可用度为约束条件,以保障费用最低为目标函数,决策变量包括维修启动条件、备件携行量和维修人员数量3个参数。采用边际分析法对模型进行求解,分析了传统算法存在的问题,并提出了对应的改进措施。算例包括3部分:一是用仿真对比验证了所建模型,结果表明本文模型具有较小的误差;二是以枚举法得出的最优解为基准,对传统算法与改进后算法的性能进行了比较,结果表明改进后的算法可明显减小与枚举法最优解的相对误差,提高寻优概率;三是对各项改进措施的贡献做了相应测试。

携行式外骨骼机械结构应力测试试验研究

以携行式外骨骼为研究对象,使用Ansys软件,建立机械结构的有限元模型,采用自由度耦合方法,对铰点位置进行处理,计算获得其应力结果。使用静态电阻应变仪,对物理样机进行应力测试。实验结果表明,实际测试得到的应力结果与有限元计算结果的吻合性良好,所得数据真实可信,可为携行式外骨骼机械结构的应力测试提供一种实际应用的方法,为后续研究工作奠定基础。

人体尺寸和躯体感知与背囊携行结构设计

以相关人群人体尺寸为依据,确定背囊囊体外形尺寸,并通过躯体感知试验反映受试者的劳动心理负荷反应和人体用力程度,考察3种背囊携行结构在运动负荷过程中对受试者的疲劳程度、不同身体部位肌肉、行军效果以及人体躯干与地面垂直线成角的影响。旨在分析不同背囊携行结构设计与人体生理特点之间的关系,力求在两者关系中寻求背囊结构尺寸的最佳参数,为背囊携行结构提供设计依据。

考虑旅客携行行为的安检系统服务参数优化研究

为提高公共交通安检系统服务效率,考虑旅客“绕行取行李”“等待取行李”的携行行为,分析安检系统服务流程,构建安检系统的Jackson排队网络模型;分析旅客人体安检和行李安检之间的速度差,厘定在携行行为条件下及不同情境中旅客提取行李前的等待时间,并修正安检系统的Jackson排队网络模型;优化安检系统服务参数,实现系统服务设施的最优配置;以某公共客运站为研究对象,进行案例验证分析。结果表明:优化模型不仅能改善安检服务设施配置效率,而且显著降低系统稳态条件下的平均等待队长;增加“绕行取行李”行为的旅客比例能显著降低旅客提取行李前的平均等待时间。

携行式外骨骼下肢运动学分析与仿真

携行式外骨骼作为一种有效的人机耦合方式,能够为人体负重运动提供必要的支撑和辅助。下肢结构作为整个系统的核心组成,其运动轨迹的实现情况将会直接影响外骨骼穿戴舒适性和运动协调性。从运动学角度出发,对外骨骼下肢结构及自由度和动态稳定性进行了分析,利用坐标变换和D-H方法建立外骨骼下肢运动模型并实现下肢运动轨迹规划。利用Solidworks建立了外骨骼三维模型,将其导入Adams中构建虚拟样机模型进行运动学仿真。仿真结果验证了运动学模型及推导公式的正确性,为进一步研究携行式外骨骼打下了理论基础。

面向作战任务的装甲装备群携行备件配置优化

为提高携行备件配置方案的针对性,以遂行多阶段作战任务的装甲装备群为研究对象,综合考虑作战任务、装备群组成及备件仓库预置地点等因素对抢修策略的影响,合理统筹伴随维修保障能力与备件需求间关系,构建面向作战任务的装甲装备群携行备件配置优化模型,实现携行备件资源的针对性配置。通过算例,验证了该优化模型的可行性及有效性。

基于ANSYS的携行式外骨骼机械结构强度分析

以携行式外骨骼为研究对象,采用Solidworks软件对机械结构进行三维实体建模,并实现构件的快速装配;使用ANSYS10.0软件,对外骨骼机械结构进行有限元分析,并根据计算结果,对机械结构设计提出了修改意见,为其强度校核及结构优化设计提供了理论依据。

基于自由度耦合的携行式外骨骼机械结构有限元分析

以携行式外骨骼为研究对象,使用ANSYS 10.0软件,建立机械结构的有限元模型,采用自由度耦合方法,处理构件与液压缸之间的连接问题,并对其进行强度分析,根据计算结果,对机械结构设计提出了修改意见,为后续研究奠定了基础。

下肢携行外骨骼系统模糊自适应位置控制研究

研究下肢携行外骨骼系统稳定性控制问题。下肢携行外骨骼系统支撑行走阶段位置控制存在稳定性、实时性不足,提高位置控制的速度及精度,使具有适应性和鲁棒性,为了克服具有实时重力补偿的传统方法,提出固定重力补偿的位置控制方法,并利用模糊推理逻辑可逼近非线性函数的特点,将模糊控制算法与具有固定重力补偿的传统PD控制算法相结合,提出了具有固定重力补偿的模糊自适应位置控制算法,应用到下肢携行外骨骼支撑行走阶段的位置控制中。仿真结果表明控制方法能够使外骨骼准确迅速跟踪人体运动,并能够显著减小人所施加的力矩,系统鲁棒性较强,能够适应负载的变化,证明是一种行之有效的控制方法。

躯干倾角与背囊携行结构的人体工效学研究

为探讨躯干倾角与人体携行背囊行进过程中腰背部疲劳程度的关系,根据人体工效学原理,采用平面定机摄影摄像方法,对受试者携行背囊行进过程中负荷姿态进行动态的测量。研究结果表明:躯干倾角这种物理表征可以对背囊携行结构进行人体工效学评价,为背囊的携行结构设计提供科学依据和评价标准。

三种单人携行具人体工效学研究

本文通过实验室和现场研究对三种单人携行具进行了生理学及工效学评价。方法为令受试者在不同时间使用不同型号的等负荷携行具行走，于行走前、中、后对各项指标进行测定。结果表明，使用Ⅱ号携行具身体重心位移最小，代谢率最低，肌力下降最少，随行走时间延长其步频增加率和步幅缩短率最少，说明其生理与工效学性能最优。而使用Ⅰ号携行具，其重心位移，能量代谢率、呼吸运动、肺功能、步频与步幅、肌电积分值等各项指标变化均为三种携行具中最大的，主观疲劳症出现的也最多，说明其性能最差。通过本实验建立了一套用劳动生理学及人体工效学评价携行具性能的方法。

基于ANSYS的携行式外骨骼背架结构研究

以PPS材料制作的携行式外骨骼系统背架结构为研究对象,以60kg为承载负荷,对背架结构的无支撑弯曲、人体支撑弯曲、人体支撑侧摆三种工况进行有限元分析,并获得背架结构在各工况下的整体应力分布及特定路径下的应力和变形分布。经分析得知,在无支撑弯曲工况下背架结构将产生巨大的集中应力与变形,因此应尽量避免在该工况下进行运动。背架结构在人体支撑弯曲和侧摆工况下所得的应力分布和变形较为理想,背架结构完全能够满足在这两种工况下进行长期运动。

海军医院船非战争军事任务血液携行保障方案

目的通过研究医院船非战争军事任务血液携行保障模式,解决医院船输血救治问题。方法将医院船非战争军事行动按任务性质分为平时任务和应急救援任务,分别研究其血液携行保障方案。结果建立悬浮红细胞与冰冻红细胞相结合的血液携行保障方案能满足医院船不同任务时的血液需求。结论血液保障是医院船的瓶颈问题,建立固态血与液态血相结合的血液携行保障模式是医院船遂行多样化军事任务的理想选择。

下肢外骨骼负载携行控制方法研究

对人自然行走的步态运动规律进行了5个步态相位划分,并通过人体动作捕获试验获得行走过程中下肢髋关节和膝关节角度变化规律。结合髋关节与膝关节姿态运动规律建立膝关节外骨骼运动数学模型,从理论上分析负载携行系统的运动特性,给出位姿随动控制时的液压缸动态负载参考值。利用伺服阀对液压缸位移进行伺服控制,设计液压缸位移反馈PID控制律,实现携行系统在不同负重、不同位姿变化条件下人机耦合助力随动控制需求。通过重载携行试验表明:外骨骼能够实现50 kg以上人机重载携行,试穿员具有明显的省力效果。