基于运动想象的脑机接口系统联合不同末端效应器对慢性期脑卒中患者上肢运动功能改善的初步研究

目的:在接受基于运动想象的脑机接口康复训练的患者中,初步探究不同末端效应器对慢性期脑卒中患者上肢运动功能改善的有效性。方法:本研究纳入在我院接受基于运动想象的脑机接口康复训练的慢性期脑卒中患者32例,根据其所接受的训练不同,分为脑机接口联合虚拟现实反馈和脑机接口联合腕关节机器人反馈两组。在干预前后评估患者的上肢运动功能(简化Fugl-Meyer量表上肢部分)、偏瘫侧腕关节主动关节活动范围、偏瘫侧伸腕肌群主动收缩时的表面肌电信号和偏瘫侧运动诱发电位,比较虚拟现实反馈和腕关节机器人反馈对慢性期脑卒中患者上肢运动功能恢复的影响。结果:干预前,两组受试者的人口学资料、上肢运动功能基线数据无显著性差异(P=0.160),干预后,两组受试者的上肢运动功能较干预前显著改善(P<0.001),与虚拟现实反馈组相比,腕关节机器人反馈组干预后的Fugl-Meyer评分和干预前后评分的变化无显著性差异(P=0.06);在偏瘫侧腕关节主动关节活动范围上,干预前,两组受试者都无主动屈-伸腕活动,干预后腕关节机器人组改善为33.13°±24.96°,虚拟现实组改善为27.81°±37.17°,两组比较无显著性差异(P=0.638);在偏瘫侧伸腕肌群表面肌电图评定上,干预后两组的平均波幅和曲线下面积都较干预前显著改善(P<0.001),组间比较提示腕关节机器人组改善更为显著(P<0.001);在运动诱发电位评估上,干预后的引出率在腕关节机器人组为56.25%,在虚拟现实组为18.75%。结论:与BCI-虚拟现实反馈训练相比,BCI-腕关节机器人训练或能更好地改善慢性期脑卒中患者上肢运动功能,这或许是由于整合了感觉-运动信息的反馈方式对上肢运动功能改善的效果更为明显,本研究的结果或有助于优化基于运动想象的BCI训练系统的反馈策略。

薄壁四点接触球轴承-腕部关节系统接触动力学分析

在机器人实际工况中,针对含有薄壁四点接触球轴承的机器人腕部关节系统的运动稳定性问题,对腕部系统模型进行了简化设计和仿真研究。在考虑薄壁结构的弹性变形和动态接触作用耦合影响的基础上,建立了刚柔耦合工业机器人腕部关节系统模型,分析了不同受载工况和正反转驱动下的变形规律和动态特性。首先,基于多体动力学和Hertz接触理论,设计了包含薄壁四点接触球轴承和中空轴及基座的腕部关节系统刚柔耦合接触动力学仿真模型;然后,考虑薄壁中空轴、基座、轴承套圈和保持架的结构弹性变形、钢球和套圈滚道、保持架的动态接触作用,研究了机器人腕部关节系统两种实际工况对保持架和钢球角速度、保持架和薄壁基座振动位移、钢球与套圈的动态接触力的影响;最后,计算分析了两种工况下腕部关节系统的动态载荷规律和振动响应特性。研究结果表明:在相对较大的径向载荷作用下,保持架和钢球会出现打滑现象,速度呈现周期波动,保持架和基座具有更好的运动稳定性,其薄壁轴承内部载荷降低,主副接触对均承担联合载荷,轴承内部载荷稳定性也更好。该仿真模型及结果可以为薄壁腕部关节系统的动力学分析与设计提供参考。

一种基于3-UU并联机构的腕关节康复机器人研制

在3-UU并联机构基础上研制腕关节康复机器人样机,辅助中风患者进行腕关节康复训练。回顾了3-UU机构演化过程和自由度,根据3-UU机构的约束关系和几何特性,采用球坐标法和滚动-俯仰-偏航(Roll-Pitch-Yaw,RPY)法分析机构逆运动学,得到机构平台和驱动的关系式;将研制的样机与经典的3-RRR腕关节康复机构进行对比,得出本机构不存在多解和奇异值等优点;对样机运动性能以及前臂两大肌群的肌电信号进行了测试。实验表明,该机构的最大横滚角度为-90°~90°,俯仰角度为-90°~90°,虚拟偏航角度为-180°~180°,最高能产生950 mV的肌电信号。上述结果表明,所研制的样机能满足腕关节运动需求,对前臂肌群进行训练。

SCARA机器人结构改进与仿真分析

设计一种新型SCARA机器人腕部结构,实现了运动的解耦,降低了硬件开发成本且利于运动控制。基于机器人工具箱及运动分析软件,进行仿真分析与验证。首先推导出运动学逆解,在D-H参数的基础上,通过MATLAB Robotics Toolbox工具建立机器人运动学模型,并验证逆解的正确性。进而在SolidWorks Motion环境下,对点到点运动(PTP)及连续运动(CP)路径进行轨迹规划并仿真。仿真结果较好地实现了预定的关节轨迹和路径跟踪,为实际运动控制系统软件开发提供了重要参考。

仿腕关节柔顺并联打磨机器人设计与试验

根据柔性并联机构逆向自适应运动原理,设计了一种3转动输出的3SPS+S仿腕关节柔性并联打磨机构,建立了机构运动方程,得到了柔性支链变形量与动平台姿态的关系;分析了柔性支链的变形力以及打磨工具打磨力、输出力矩情况,并建立力学模型;以打磨工具姿态变化和打磨力恒定为目标,对建立的三维模型进行仿真,并通过样机模拟得到机构的工作参数范围;仿真和试验结果表明,这种打磨机构可根据工件曲面几何形状的改变而实时改变打磨工具姿态,在有效控制力的前提下可保持打磨头和工件间的接触打磨力不变,该机构设计简单、运动灵活、方便控制,具有较好的应用价值。

工业机器人工作空间约束下激光雷达站位规划

为了解决规划的激光雷达站位满足机器人的可达性问题,文中提出了融合工业机器人工作空间和激光雷达测量特性的站位规划约束模型。借助DenavitHartenberg(DH)方法建立六自由度工业机器人各关节坐标系,采用包络法计算出腕关节的工作空间。依据规划的激光雷达姿态和雷达尺寸计算出激光雷达的可达范围。建立激光雷达站位坐标满足工业机器人可达性约束。结果表明:文中约束方法实现了雷达站位自动规划,验证了所提约束模型的有效性,为大跨度空间下机器人与测量设备结合应用提供了可行途径。

一种用于水下机器人的油路快速换接自动封闭接头的研究

本文针对水下机器人在作业工具自动换接过程中的油路快速换接问题 ,提出了一种压差式快速自封接头 ,利用它可以在水中实现两液路的快速对接。这种接头具有自封闭功能 ,在两油路分离后可以防止外部的海水进入管路 ,也可以防止管路内的液体流出 ,连接后 ,在流体压差的作用下 ,两液路接通。本文介绍了该接头的结构和工作原理 。

机器人腕关节伺服系统的变结构控制

基于不连续控制的滑模变结构控制理论,具有控制算法简单,易于实现,系统鲁棒性强等特点。本文针对一类特殊的伺服运动——机器人关节运动,采用变结构理论,做了一些设计工作,仿真结果和实际调试,证实了变结构控制的有效性。

一种新型手腕部粗大训练康复机器人机构设计

脑卒中易造成患者肢体偏瘫,影响患者的日常生活质量。手腕部作为人体行为动作的重要执行单元,进行手指抓握与手腕协作等粗大训练具有重要的意义。这里以正常手腕部的运动状态为基础,开发了一种基于手腕部粗大训练康复机器人。通过分析人体手腕部关节结构和关节夹角的生理特征,拟合生成手腕部抓握运动轨迹。构建三自由度的创新康复机器人的结构,实现手部同时抓握、手掌俯仰和手腕旋转运动。开发融合手腕部主/被动训练的康复机器人控制系统,验证机器人的运动功能。实验结果表明,手腕部康复机器人能够分别实现人体手指的抓握、手掌俯仰、手腕旋转的单独运动和相互协作运动,运动范围满足手腕部运动的生理需求。

机器人辅助训练在腕部本体感觉领域的应用

目的基于机器人辅助训练技术,设计一款以研究训练对腕部本体感觉提升影响为目的的康复机器人。方法蒙眼状态下,12位受试者使用腕部康复机器人完成训练前和训练后的目标位置匹配任务。统计并分析训练前和训练后手腕对目标位置的匹配误差降低情况。结果训练后受试者的受试者腕部本体感觉敏锐度平均提高了34.25%(尺偏:41.36%,桡偏:27.14%)。结论训练对提高腕部本体感觉敏锐度有积极效果,且与工作空间正相关,同时也验证了腕部康复机器人设计的合理性。这一技术量化了腕部运动学指标,为临床评估运动功能恢复和制定康复训练计划提供了数据支撑。

多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制方法

针对传统机械手腕关节控制方法稳定性低和灵活性差的弊端,提出一种新的多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制方法。介绍了多自由度机器人关节系统,按动力学系统组建机械手腕关节的动力学模型,采用拉格朗日方法获取动力学方程。介绍了PD手腕关节位置控制方法,在此基础上通过改进纯积分力控制方法实现多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制。分析了机械手腕关节混合位置/力矩控制过程,通过差动机构控制两个驱动器,使其完成机械手腕关节外展/内收和伸展/翘曲两个自由度,提高机械手腕控制灵活性。实验结果表明,所提方法控制精度和稳定性高,能够保证机械手腕关节的灵活性。

机器人腕关节减速器轴强度优化设计仿真

对机器人腕关节减速器轴的强度进行优化设计,在提高机器人腕关节减速器轴使用性能方面具有重要作用,由于使用环境的不同,使得机器人腕关节减速器轴承受强度存在显著差异,传统方法,无法对强度进行求解或需要将强度优化问题做许多简化处理,导致强度优化耗时长且优化后强度计算结果精度较低的问题。提出采用有限元检测方法,对机器人腕关节减速器轴强度进行优化。通过对机器人腕关节减速器的典型工况进行受力分析,确定腕关节减速器轴有限元分析的载荷边界条件,得到减速器轴载荷变化规律、轴的应力分布情况,对机器人腕关节减速器轴进行强度优化。仿真结果表明,优化后的减速器轴强度安全系数可满足使用要求,且计算值与试验值数据基本吻合,验证了减速器轴强度优化的准确性。

机器人腕关节锥齿轮动力学分析

六自由度工业机器人手腕锥齿轮由于齿轮碰撞力波动幅度较大,且齿轮处于旋转运动状态,可能导致接触区域应力值很难利用测量手段获得。因此,利用Pro/E参数化建模工具构建六自由度工业机器人手腕锥齿轮传动模型,将锥齿轮模型导入ANSYS中,根据机器人工作状态,对啮合后齿轮施加动态载荷进行瞬态动力学分析,然后再利用Matlab绘制出应力变化曲线,得到机器人手腕大齿应力变化规律,从而验证该工业机器人手腕大齿结构设计合理性,旨在对其他机械传动机构结构设计起到一定指导作用。

基于重载机械臂的结构优化设计

基于重载机械臂的结构优化设计,通过多次优化,成功降低了机械臂应力集中的现象,提高了其强度和可靠性。通过改变圆角尺寸、台阶位置和结构等特征,成功地将机械臂的等效应力降低了34.4%。这一优化设计为重载机械臂的安全运行提供了重要支持。

绳索驱动腕部并联康复机构设计与逆运动学分析

针对现有腕部康复机构运动范围小,存在柔顺性和舒适性差等问题,提出一种新型绳索驱动、压缩弹簧支撑的柔性并联腕部康复机构。机构定平台、动平台由三根绳索和压缩弹簧连接,弹簧用来模拟腕骨与韧带复合体,起支撑并限制与掌骨相对应的动平台运动;动平台模拟掌骨末端,定平台模拟桡骨和尺骨末端;三根绳索模拟肌肉来驱动并联机构。考虑弹簧轴向位移以及柔性问题,基于有限转动张量法和力与力矩平衡分析方法,构建系统逆运动学数学模型,得到运动学和静力学联合求解的非线性方程组。通过对机构模型分析,完成0~75°下各绳索长度和拉力的数值求解。通过仿真与试验得到人体腕部生理运动空间和机构有效工作空间,验证了机构的合理性和分析方法的正确性。所提出的求解方法对康复机器人和绳索驱动并联机构设计具有积极的促进作用。