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The Knee Joint Design and Control of Above-knee Intelligent Bionic Leg Based on Magneto-rheological Damper 被引量:9
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作者 Hua-Long Xie Ze-Zhong Liang +1 位作者 Fei Li Li-Xin Guo 《International Journal of Automation and computing》 EI 2010年第3期277-282,共6页
The above-knee intelligent bionic leg is very helpful to amputees in the area of rehabilitation medicine. This paper first introduces the functional demand of the above-knee prosthesis design. Then, the advantages of ... The above-knee intelligent bionic leg is very helpful to amputees in the area of rehabilitation medicine. This paper first introduces the functional demand of the above-knee prosthesis design. Then, the advantages of the four-bar link mechanism and the magneto-rheological (MR) damper are analyzed in detail. The fixed position of the MR damper is optimized and a virtual prototype of knee joint is given. In the end, the system model of kinematics, dynamics, and controller are given and a control experiment is performed. The control experiment indicates that the intelligent bionic leg with multi-axis knee is able to realize gait tracking of the amputee's healthy leg based on semi-active control of the MR damper. 展开更多
关键词 knee joint above-knee intelligent bionic leg magneto-rheological damper.
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下肢外骨骼膝关节优化及人机控制仿真
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作者 李赐恩 任少蒙 +3 位作者 孙彦超 景娟红 程翔 杨晋伟 《机械》 2024年第7期74-80,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 仿生膝关节机构 优化算法 瞬心轨迹 联合仿真 舒适性
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Performance Analysis and Flexible Control of a Novel Ball Double-screw Hydraulic Robot Knee Joint
3
作者 Jie Shao Yongming Bian +1 位作者 Meng Yang Guangjun Liu 《Journal of Bionic Engineering》 SCIE EI CSCD 2023年第5期2147-2163,共17页
Focusing on the ball double-screw hydraulic knee joint as the research object,this paper analyzes the load driving performance of the hydraulic knee joint.Taking the posture data of the human body such as walking,squa... Focusing on the ball double-screw hydraulic knee joint as the research object,this paper analyzes the load driving performance of the hydraulic knee joint.Taking the posture data of the human body such as walking,squatting and landing buffer as initial learning objects,motion features are extracted.By simplifying the trajectories of different motion actions into key feature control points and flexible trajectory fitting,the trajectory of joint actions is optimized.This method can realize the adaptability of the hydraulic robot knee joint in different movements,and take the flexible action as the optimization goal under the condition of ensuring the movement performance,so as to reduce the damage to the knee joint caused by the foot impact in motion.The simulation model was built by Adams and Matlab to complete the performance analysis and motion optimization experiment of the knee joint.The simulation results show that the foot impact force of the experimental model decreases gradually through optimization.Finally,the method is applied to the hydraulic joint experimental prototype to prove its load capacity and flexible motion control performance. 展开更多
关键词 bionic robot Ball double-screw hydraulic joint Robot knee joint Performance analysis Humanoid motion control Flexible control
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双足机器人四连杆仿生膝关节的研究 被引量:7
4
作者 王斌锐 许宏 +1 位作者 金英连 徐心和 《机械设计》 CSCD 北大核心 2006年第7期13-15,共3页
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... 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。 展开更多
关键词 四连杆仿生膝关节 双足机器人 刚体引导 多变量优化 智能阻尼器
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基于混合驱动仿生膝关节机构设计 被引量:5
5
作者 吴成东 金基准 +2 位作者 闻时光 王斐 齐亚鲁 《沈阳建筑大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2012年第4期759-764,共6页
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... 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. 展开更多
关键词 智能仿生腿 四连杆闭链膝关节 混合驱动 滚珠丝杠 多变量优化 虚拟样机仿真
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四连杆仿生膝关节机构优化设计 被引量:5
6
作者 张莉洁 卢文涛 曹学民 《机床与液压》 北大核心 2015年第9期67-70,共4页
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MA... 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。 展开更多
关键词 四连杆仿生膝关节 步态 二次规划 瞬心轨迹 承重自锁式结构
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新型仿生膝关节的机构设计与仿真研究 被引量:10
7
作者 杨义勇 王人成 +2 位作者 王延利 金德闻 田尚云 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第1期72-74,79,共4页
通过对假肢膝关节系统的功能原理分析,提出了多种新型假肢膝关节结构方案,拟定了结构方案比较与选择的基本要求与准则,完成了结构设计与技术设计;结合运动仿真分析,确定了膝关节在主动屈曲时回转摆动缸的摆动范围,分析了下蹲过程中的机... 通过对假肢膝关节系统的功能原理分析,提出了多种新型假肢膝关节结构方案,拟定了结构方案比较与选择的基本要求与准则,完成了结构设计与技术设计;结合运动仿真分析,确定了膝关节在主动屈曲时回转摆动缸的摆动范围,分析了下蹲过程中的机构力矩变化规律。设计与仿真的结果对于连骨式假肢膝关节设计、双足步行机器人开发有参考价值。 展开更多
关键词 假肢膝关节 仿生构形设计 运动仿真 拟人机器人
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仿生膝关节虚拟样机与协同仿真方法研究 被引量:13
8
作者 王斌锐 金英连 徐心和 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第6期1554-1557,共4页
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... 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。 展开更多
关键词 四连杆仿生膝关节 虚拟样机 协同仿真 迭代学习控制
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新型假肢膝关节的设计与仿真研究 被引量:4
9
作者 吴波 陈照波 程明 《机械设计与制造》 北大核心 2015年第6期5-8,共4页
假肢膝关节是假肢最重要的结构,对假肢性能具有至关重要的影响。从仿生性角度出发,提出一种新型假肢膝关节结构。以踝关节轨迹作为步态评判标准,建立机构的运动学模型。论述模型结构的优化原则、目标函数以及约束条件,运用LINGO软件编... 假肢膝关节是假肢最重要的结构,对假肢性能具有至关重要的影响。从仿生性角度出发,提出一种新型假肢膝关节结构。以踝关节轨迹作为步态评判标准,建立机构的运动学模型。论述模型结构的优化原则、目标函数以及约束条件,运用LINGO软件编程对模型中的尺寸参数进行优化。将优化后的结构模型运用ADAMS进行仿真分析,验证模型及优化的正确性。仿真结果表明,运用设计的新型假肢膝关节的假肢能够较好地模拟正常人行走的踝关节轨迹,具有较好的行走步态。 展开更多
关键词 假肢膝关节 仿生性 踝关节轨迹 步态 优化 仿真
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含半月板的假肢膝关节机构设计与减震性能分析 被引量:4
10
作者 李飞 张芙铭 +1 位作者 丁若修 谢华龙 《机械设计与制造》 北大核心 2016年第1期161-164,共4页
智能仿生腿是一种能够最大限度模仿人体健康腿运动的高级智能下肢假肢。当假肢穿戴者从事跑步、打网球等复杂运动时,运动对假肢关节的冲击和震动将大幅增加。为提高假肢抗冲击、震动性能,将人体膝关节半月板结构引入假肢膝关节。分析了... 智能仿生腿是一种能够最大限度模仿人体健康腿运动的高级智能下肢假肢。当假肢穿戴者从事跑步、打网球等复杂运动时,运动对假肢关节的冲击和震动将大幅增加。为提高假肢抗冲击、震动性能,将人体膝关节半月板结构引入假肢膝关节。分析了人体膝关节的解剖结构和功能,进行了智能仿生腿膝关节机械机构设计,基于ANSYS对假肢膝关节半月板结构的抗冲击、震动性能进行了有限元分析。结果表明:半月板具有承载负荷的能力并具有缓冲吸震作用。 展开更多
关键词 智能仿生腿 膝关节 半月板 有限元分析
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行走机器人控制策略与开闭环学习控制 被引量:3
11
作者 王斌锐 谢华龙 +1 位作者 丛德宏 徐心和 《东北大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第8期722-725,共4页
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... 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. 展开更多
关键词 异构双腿行走机器人 仿生膝关节 开闭环 学习控制 收敛性 虚拟样机仿真
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基于Pro/Mechanism的仿生膝关节优化设计与运动仿真研究 被引量:3
12
作者 李燕 《机床与液压》 北大核心 2009年第6期183-185,共3页
设计了用于数字化三维人体模型或假肢的四连杆膝关节,为了达到理想的运动效果,以膝机构瞬心坐标实际值与理想值之差最小,即膝机构的实际瞬心曲线与理想的膝关节瞬心轨迹相一致为目标函数,在五维设计空间中求得一组最优解,利用Pro/E具有... 设计了用于数字化三维人体模型或假肢的四连杆膝关节,为了达到理想的运动效果,以膝机构瞬心坐标实际值与理想值之差最小,即膝机构的实际瞬心曲线与理想的膝关节瞬心轨迹相一致为目标函数,在五维设计空间中求得一组最优解,利用Pro/E具有几何约束和尺寸驱动等参数化设计功能,无需进行烦琐复杂的公式推导即可建立满足约束要求的数学模型,并应用Pro/E的多目标设计研究功能求得满足运动要求的杆件参数,在此基础上进行膝关节机构的三维造型及装配,进而在Pro/Mechanism环境下对仿生膝关节杆机构进行运动仿真。 展开更多
关键词 Pro/Mechanism 四连杆膝关节 运动仿真 优化设计
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基于张拉整体结构的仿生膝关节机构设计
13
作者 张炜 刘琳 宋广生 《机械传动》 北大核心 2020年第12期92-98,168,共8页
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... 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。 展开更多
关键词 人体膝关节机构 张拉整体 等效映射 仿生膝关节机构 半自主复位
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人工关节多目标优化算法研究
14
作者 陈垚 《电子设计工程》 2014年第10期4-6,共3页
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... 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。 展开更多
关键词 仿生膝关节 传动角 优化设计 人工肌肉
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基于张拉整体结构的仿生腿式机器人设计 被引量:1
15
作者 孙建伟 李维佳 褚金奎 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2023年第3期302-312,共11页
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... 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。 展开更多
关键词 腿式机器人 张拉整体结构 仿生膝关节 自适应结构 平面四杆机构
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基于UG6.0NX NASTRAN人工仿生膝关节应力分析
16
作者 石更强 《生物医学工程学杂志》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第1期128-131,共4页
本文主要介绍了有限元分析方法在生物力学中的应用的基本原理,重点介绍了各种有限元分析软件的基本原理及各自的特点,介绍了UGNX6.0NASTRAN分析人工膝关节的应力分析的基本过程:类型的选择、材料定义、常数的设定、有限元网格的划分、... 本文主要介绍了有限元分析方法在生物力学中的应用的基本原理,重点介绍了各种有限元分析软件的基本原理及各自的特点,介绍了UGNX6.0NASTRAN分析人工膝关节的应力分析的基本过程:类型的选择、材料定义、常数的设定、有限元网格的划分、有限元结果的分析。对所设计的个性化人工膝关节进行了有限元具体分析和评价,验证了其几何设计结构的合理性。 展开更多
关键词 仿生关节 应力分析 人工膝关节
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Biped robot control strategy and open-closed-loop iterative learning control
17
作者 WANG Binrui XIE Hualong +1 位作者 CONG Dehong XU Xinhe 《Frontiers of Electrical and Electronic Engineering in China》 CSCD 2007年第1期104-107,共4页
Master-slaver dual-leg coordination control was proposed for the biped robot with heterogeneous legs(BRHL),in order to reduce gait planning and to get a good tracking performance.The key to coordination is gait trajec... Master-slaver dual-leg coordination control was proposed for the biped robot with heterogeneous legs(BRHL),in order to reduce gait planning and to get a good tracking performance.The key to coordination is gait trajectory tracking control.Bionic knee joint with closed-chain 4links makes robot walking more humanlike,but the model is complex and tracking of the bionic leg to the artificial leg is more difficult.P-type open-closed-loop iterative learning control(ILC)is not based on model parameters and has advantages in both open-loop and closed-loop ILC;so this paper proposes a complex robot gait trajectory tracking.The convergence is proved by using functional analysis and the stability condition is given.A tracking simulation based on the virtual prototype was done.The results show that this control strategy and algorithm are effective and robust,and the convergence speed is better than separate open-loop or closed-loop ILC. 展开更多
关键词 BRHL tracking bionic knee joint open-closed-loop iterative learning control convergence virtual prototype
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