NOVEL 6-DOF WEARABLE EXOSKELETON ARM WITH PNEUMATIC FORCE-FEEDBACK FOR BILATERAL TELEOPERATION

A particular emphasis is put on a novel wearable exoskeleton arm, ZJUESA, with 6 degrees of freedom, which is used for the robot teleoperation with the force-feedback in the unknown environment. In this external structure mechanism, the 3-revolution-prismatic-spherical （3RPS） parallel mechanism is devised from the concept of the human upper-limb anatomy and applied for the shoulder 3-DOF joint. Meanwhile, the orthogonal experiment design method is introduced for its optimal design. Aiming at enhancing the performance of teleoperation, the force feedback is employed by the pneumatic system on ZJUESA to produce the vivid feeling in addition to the soft control interface. Due to the compressibility and nonlinearity of the pneumatic force feedback system, a novel hybrid fuzzy controller for the precise force control is proposed and realized based on the Mega8 microcontroller units as the units of the distributed control system on ZJUESA. With the results of several experiments for master-slave control with force feedback, the feasibility of ZJUESA system and the effect of its hybrid fuzzy controller are verified.

穿戴武器臂的人枪耦合系统发射响应研究

穿戴式武器臂是一种新型单兵上肢外骨骼,对提高单兵火力打击效能具有重要作用,含武器臂的人枪耦合系统是一种复杂人机系统,其作用机制和动力学响应特性尚需进一步研究.提出了一种穿戴武器臂的总体方案,研制了穿戴式武器臂原理样机,采用16通道Delsys表面肌电测试系统采集射手立姿据枪瞄准时左右臂和躯干肌肉的表面肌电信号,对典型射手在有/无穿戴武器臂状态下,双手握持枪械时的肌肉疲劳状况进行对比评估;采用Codamotion三维运动捕捉系统采集立姿无依托点射和单发射击过程中枪口响应数据,建立有/无穿戴武器臂状态立姿无依托人枪相互作用动力学仿真模型,通过试验和仿真分析穿戴武器臂状态人枪系统发射动态响应特性.研究结果表明穿戴武器臂立姿据枪瞄准时射手左手肌肉的积分肌电值除三角肌外均有明显的下降,肱二头肌的下降尤为显著;穿戴武器臂立姿无依托点射时枪口后坐和竖直方向的位移量相比“无武器臂持枪射击状态”大幅下降,抵肩力也大幅下降,穿戴式武器臂减轻了穿戴者的双手肌肉疲劳,提高了枪械的射击动态稳定性.

虚拟现实在手臂外骨骼康复系统中的应用

为了改善患者肢体康复医疗的条件,使患者在虚拟环境中获得视觉、听觉和力觉反馈,提出一套利用虚拟现实和外骨骼技术进行手臂康复医疗的方案,详细地介绍了硬件和软件的设计思想和设计方法,包括:手臂外骨骼设计、虚拟环境平台开发、运动控制设计和康复病案数据库的建立。基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统,将运动治疗和心理治疗有机地结合起来,为残疾患者提供一种有效的肢体功能医疗器械。

上肢外骨骼运动的逆向求解与仿真(英文)

人体上肢是个极其复杂的运动系统,其运动具有复杂性和随意性。研究上肢外骨骼的运动特性为手臂外骨骼的设计提供了重要的参数依据和指导意义。提出了四自由度外骨骼机构并论述了其合理性,建立了四自由度的上肢模型及其运动学方程。运用逆向运动学的方法在多种运动轨迹下对上肢运动进行仿真,并对各机构之间运动关系进行测量和分析。仿真结果为外骨骼系统的智能控制及康复训练提供了有效的参考依据。

基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统的研究

将虚拟现实和外骨骼技术引入到肢体的康复工程 ,根据康复医学的运动疗法和作业疗法 ,为上肢残疾患者研制出手臂外骨骼康复系统 ,实现了手臂的运动控制 ,并构建了虚拟环境仿真平台。借助于触觉感知接口的力反馈作用可以使患者感觉到手臂受到的作用力。提出手臂功能康复测评方法 ,并建立患者康复病案数据库。手臂外骨骼康复系统为患者提供有效的肢体功能恢复的工具。

基于嵌入式系统的下肢负荷外骨骼设计

为了提高人体的负重能力,展开了下肢负荷外骨骼系统的研究;系统主要由ARM控制器、仿生下肢、电机及其控制器组成;髋关节与膝关节安装气弹簧,并得到关节角度与气弹簧长度的关系;根据EPOS的数据帧格式,计算串口控制指令的循环校验码,得到串口控制指令,提高了控制器与EPOS之间的通信速率;针对板载A/D接口,编写了接口函数,数据误差率与测量信号成反比,工作范围内保持最大为5%。

外骨骼机器人的人体步态感知系统设计

针对下肢负重外骨骼机器人与其穿戴者运动协调的问题,设计一种人体步态感知系统,对人体下肢关键部位的运动状态采集和预测。用6个MTI—30姿态传感器采集人体下肢的姿态数据;以ARM微处理器STM32F407为计算单元,对采集的步态数据解算、预测和传输;用非线性时间序列分析Takens算法预测人体下肢关键部位的旋转运动。实验结果表明:该系统功能稳定,能准确对人体下肢的步态数据采集和预测,预测结果稳定可靠,为外骨骼控制器提供可靠的参考信息。

外骨骼机械手臂的运动分析及伺服控制

用三维软件UG对外骨骼机械手臂的结构进行设计,根据外骨骼机械手臂结构进行力学分析以及稳定性研究,研制一套可穿戴的外骨骼机械手臂,可实现手臂的负重和残疾人手臂的康复训练;建立机械手臂的物理模型;研究平衡阀和伺服换向阀的工作稳定特性。对手臂控制的稳定性做一定分析。研究结果表明,设计的外骨骼机械手臂满足设计要求。

基于SimMechanics的六自由度机械臂轨迹规划研究

针对机械手臂在运动过程中出现的不稳定现象,本文利用多项式插值规划关节空间的轨迹,并利用Matlab中的SimMechanics建立逆运动学仿真模型,由轨迹规划模块得到的各关节变量的角度、角速度和角加速度来驱动各关节运动;同时对机械手臂末端轨迹规划进行分析仿真。仿真结果表明,仿真模型输出轨迹和预定轨迹相吻合,利用仿真模型可以准确、有效地得到外骨骼康复机械手臂的运动参数和运动轨迹,并实现了机械手臂匀加速、匀速和匀减速的运动状态。该研究对六自由度外骨骼康复机械手臂结构设计提出了建设性意见,也为外骨骼康复机械手臂的分析设计提供了可靠依据。

工业装配抗振外骨骼的动力学仿真及试验研究

针对手传振动问题,设计出一种上肢穿戴式工业装配抗振外骨骼作为干预装备。采用ADAMS建立了参数化的人机耦合仿真模型;为优化外骨骼减振单元结构参数,对外骨骼减振单元结构进行了单因素振动响应分析,发现减振器阻尼系数及安装位置是影响外骨骼减振性能的关键因素,剪式减振结构的前后弹簧刚度差异化取值时的效果更佳,通过交互正交试验得到修正的最佳因素水平组合。以接触压力和计权振动值为指标,通过抗振性能试验来评估外骨骼样机的减振性能,发现外骨骼在铆接期可减小约39.9%的接触压力,在间歇期接触压力减小49.4%,穿戴外骨骼可减小15.1%的日接振值,单日铆接效率最大可提高18%;接触压力和接振值的变化证明外骨骼具有减振及工具支撑功能。

手臂外骨骼控制的仿真研究

针对手臂外骨骼机器人,本文建立了手臂位置运动学方程的正解及逆解,并利用MATLAB软件中的Simulik和SimMechan-ics设计工具建立了系统的控制模型,进行了轨迹控制仿真研究;为实际的康复医疗及机构的控制提供了重要数据。

PID算法与电位计角度控制的手臂外骨骼

提出了一种基于PID控制的手臂外骨骼,采用Arduino Nano作为手臂外骨骼的主控,通过HX711压力传感器采集手臂上物体的重量,通过电位计采集手臂转动角度,使用具有欠压、过压、过热、短路等保护性功能的VNH2SP30电机驱动模块驱动大扭力电机。装置的承重材料和机械结构采用碳纤维材料3D打印而成,因此更加轻巧、容易佩戴。由于加入了PID算法控制及电位计角度控制,整个装置反应更迅速、控制更精准、安全性更高,能更好地满足手臂外骨骼工作的需要。

一种被动式手臂助力外骨骼性能评估研究

提出一套针对被动式手臂助力外骨骼的测试方法,并对设计的被动式手臂外骨骼进行评估。构建了人体搬起运动的理论模型,分析了肘关节角度和力矩的特征。然后设计重复搬起和持重站立实验,分别测量手臂主要肌群的肌电信号和人体的代谢水平,验证被动式外骨骼对搬运的辅助效果。重复搬起实验中,穿戴外骨骼可显著降低屈肘时手臂肌肉的肌肉活动;持重站立实验中,搬起10 kg时平均降低人体能量消耗18.86%,搬起15 kg平均降低人体能量消耗23.87%,并且从变化的趋势可以看出,外骨骼在物资质量5~15 kg内的持重站立状态下助力效果与物资重量的变化趋势呈正相关。提出的方法能够有效评估被动式手臂外骨骼的性能,被动式手臂助力外骨骼能够有效减少在重复搬起屈肘时手臂肌肉的肌肉活动,并且整体上降低穿戴者在持重站立时的代谢成本。

一种上肢助力外骨骼结构设计与仿真分析

通过简化人体搬运动作,建立人体穿戴外骨骼搬运重物模型,设计一种用于长距离搬运的无源上肢助力外骨骼,通过卷簧带动齿轮减速机构为人体手臂助力,具有结构简单、体积小、重量轻的优点。对人体手臂搬运动作进行运动学仿真,结果表明,外骨骼可随手臂在该运动空间内运动,并对外骨骼进行动力学仿真分析,仿真结果满足设计要求。

无动力上肢助力机械外骨骼对手臂抬举作业的影响研究

手臂抬举作业是导致上肢工作相关肌肉骨骼疾病(WMSDs)的主要原因,本文的目的是评估无动力上肢助力机械外骨骼(UPAE)在手臂抬举作业中的潜在影响。方法:15名男性志愿者,在三个不同手臂抬举高度(使用和不使用UPAE)下进行重复螺栓安装任务;测量受试者左、右手臂三角肌前束、中束、斜方肌下束和肱三头肌的肌电图值,并对其颈部、肩部、上臂、前臂、胸背部、腰背部和腿部的感知不适(RPD)进行评分。结果:与不使用UPAE相比,使用UPAE时,右三角肌前束的初始nRMS下降了38.5%,中位nRMS值下降了45.1%,总RPD下降了52.4%。结论:与不使用UPAE相比,使用UPAE可以带来更少的上肢肌肉收缩和更低的RPD,这可能会降低或减慢在手臂抬举作业中上肢WMSDs的水平。

一种多自由度康复外骨骼机械臂的虚拟分解控制

为满足脑卒中患者康复训练的需求,康复外骨骼机械臂需要具有多个自由度。项目采用的康复外骨骼机械臂具有5个自由度,排除运动相对独立的腕关节,仍需要对机械臂剩余4自由度进行高精度控制,从而保证患者康复的安全性、舒适性及康复的有效性。多自由度串联机械臂具有高度的非线性,增加了其建模控制的复杂程度。利用虚拟分解控制理论,将复杂系统分解为几个简单的子系统进行分析及控制,再将所有子系统控制器组建成系统虚拟分解控制器,降低其动力学建模复杂程度,大大控制减少计算量,便于提高系统响应性。采用Simulink与ADAMS对机械臂进行联合控制仿真及实物试验,与采用固定重力补偿的PID控制方法进行了对比。结果表明,对于高度非线性系统,虚拟分解理论的控制效果比PID方法好。

一种应用于特种车辆的外骨骼救援装置

目的 研制一种基于人机功效学和外骨骼技术的乘员救援装置,以实现对特种车辆内伤员的高效救援。方法 通过查阅《中国成年人人体尺寸》(GB1000—1988)和作业人员身高尺寸统计结果,确定救援装置的基本尺寸。利用外骨骼技术研制一种可应用于特种车辆载员的救援装置。结果 该救援装置主要由被动式上肢、被动式髋关节、主动式起重臂和可收放式底座4个模块组成,以主被动结合的助力方式完成对伤员的救援。上下肢具有调节功能,能满足不同使用人员的尺寸需求。通过实车试验测试,该装置能将72 kg的配重物提升出舱,助力效果达到70%。结论 该装置符合人机功效学要求,能应用于特种车辆载员的救援,大幅度提高救援效率,经优化设计后可大规模配装于部队,具有较大的军事效益。