基于电机-磁流变阻尼器混合驱动的绳索牵引上肢康复机器人的设计与应用

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作者 王立翌 李会军 +1 位作者 陆叶 宋爱国 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第11期1994-2002,共9页

传统的末端牵引康复机器人一般使用电机驱动,连杆传动,难以避免惯性和刚性器件对系统动态性能的影响。针对以上问题,研制了一种基于混合驱动的绳索牵引式上肢康复机器人系统。系统采用绳索牵引末端的方式驱动机器人运动,实现在大工作空... 传统的末端牵引康复机器人一般使用电机驱动,连杆传动,难以避免惯性和刚性器件对系统动态性能的影响。针对以上问题,研制了一种基于混合驱动的绳索牵引式上肢康复机器人系统。系统采用绳索牵引末端的方式驱动机器人运动,实现在大工作空间内的柔顺操作。设计了具有低惯性特性的电机-磁流变阻尼器混合驱动系统,以替代传统的电机驱动。结合动作捕捉系统,设计了被动和镜像两种训练模式,以实现脑卒中患者的上肢康复训练。实验证明,混合驱动系统可输出3.5 N·m的转矩;被动训练模式中,机器人在600×500×350 mm的工作空间内,轨迹跟踪误差小于8 mm;镜像训练模式中,轨迹平均跟踪误差为6.34 mm。结果表明,系统的驱动方法和训练模式安全有效。 展开更多

关键词 上肢康复机器人 绳索牵引 电机-磁流变阻尼器混合驱动 多模式康复训练

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绳索牵引并联康复机器人的建模与控制 被引量：14

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作者 张立勋 刘攀 +1 位作者 王克义 张今瑜 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第1期81-85,共5页

针对在康复训练过程中如何协调控制患者的骨盆运动轨迹问题,设计了一种绳索牵引并联康复机器人.在对机器人进行运动学和静力学分析的基础上,利用牛顿—欧拉法建立了机器人的动力学方程.在给出力分解模型的基础上,提出了一种力/位并行控... 针对在康复训练过程中如何协调控制患者的骨盆运动轨迹问题,设计了一种绳索牵引并联康复机器人.在对机器人进行运动学和静力学分析的基础上,利用牛顿—欧拉法建立了机器人的动力学方程.在给出力分解模型的基础上,提出了一种力/位并行控制策略:位置环和力环分别用于实现患者骨盆运动轨迹和绳索张力大小的控制.最后对机器人控制系统进行了仿真分析,仿真结果表明,该控制策略不仅能满足对轨迹跟踪要求,而且具有很好的鲁棒性. 展开更多

关键词 绳索牵引 力控制 骨盆运动轨迹 康复机器人

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平面绳索牵引并联机器人静态刚度 被引量：5

3

作者 王克义 孟浩 +1 位作者 张立勋 郭培培 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第9期1112-1116,共5页

以平面绳索牵引并联机器人为对象,对动平台的静态刚度进行理论分析和仿真研究.针对平面1R2T绳索牵引机构模型,建立系统静态力螺旋平衡方程,通过微分变换推导动平台静态刚度表达式,得出影响系统静态刚度的因素为绳索拉伸刚度和绳索拉力,... 以平面绳索牵引并联机器人为对象,对动平台的静态刚度进行理论分析和仿真研究.针对平面1R2T绳索牵引机构模型,建立系统静态力螺旋平衡方程,通过微分变换推导动平台静态刚度表达式,得出影响系统静态刚度的因素为绳索拉伸刚度和绳索拉力,且两者的影响是相互耦合的.通过有限元软件ANSYS建立了平面绳索牵引并联机器人模型,根据等效静态刚度定义,仿真了不同绳索布置方案和不同绳索最小拉力情况下动平台的静态刚度,得出在绳索最小拉力较小时,随着绳索最小拉力的增大,动平台的等效静态刚度增大,绳索拉力对系统静态刚度影响作用表现明显;而绳索最小拉力增大到一定程度时,其几乎无影响作用. 展开更多

关键词 1R2T 绳索牵引 并联机器人 静态刚度 有限元法

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绳索牵引康复机器人的动力学建模与控制 被引量：8

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作者 刘攀 张立勋 +1 位作者 王克义 张今瑜 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第7期811-815,共5页

针对在康复训练过程中如何协调控制患者的骨盆运动轨迹问题,设计了由4根绳索牵引的三自由度绳索牵引并联康复机器人.基于力/位混合控制的思想,利用牛顿-欧拉法建立了绳索牵引康复机器人的动力学模型.以轨迹控制为目标,用计算力矩法设计... 针对在康复训练过程中如何协调控制患者的骨盆运动轨迹问题,设计了由4根绳索牵引的三自由度绳索牵引并联康复机器人.基于力/位混合控制的思想,利用牛顿-欧拉法建立了绳索牵引康复机器人的动力学模型.以轨迹控制为目标,用计算力矩法设计了基于刚性模型的位置控制器,就绳索的刚度对机器人系统性能的影响进行了仿真分析;以刚度控制为目标,推导了机器人系统的刚度矩阵,并对康复机器人进行了仿真验证.理论分析和仿真结果表明,系统的刚度与绳索的张力有关,调整绳索的内张力可以改变系统刚度,实现对机器人系统的柔顺性控制. 展开更多

关键词 绳索牵引 康复机器人 轨迹控制 柔顺性控制 动力学建模

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1R2T绳索牵引并联康复机器人绳索弹性研究 被引量：6

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作者 王克义 张立勋 孟浩 《南京理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第5期602-607,共6页

该文以平面三自由度(1R2T型)绳索牵引康复机器人为对象,分析了绳索弹性和绳索拉力对骨盆(动平台)静态刚度的影响,发现不同绳索弹性时,相同绳索拉力对动平台静态刚度影响不同。利用ADAMS软件对绳索拉力和绳索刚度的影响情况进行了机构仿... 该文以平面三自由度(1R2T型)绳索牵引康复机器人为对象,分析了绳索弹性和绳索拉力对骨盆(动平台)静态刚度的影响,发现不同绳索弹性时,相同绳索拉力对动平台静态刚度影响不同。利用ADAMS软件对绳索拉力和绳索刚度的影响情况进行了机构仿真,发现绳索弹性对系统静态刚度的影响比绳索拉力大。分析并仿真了系统受外界干扰后的振动状态,结果表明,增大绳索拉力可以提高系统的抗干扰性。建立了考虑绳索弹性的动力学方程,以期望轨迹通过逆动力学方程计算出的绳索拉力作为系统动力学的输入,用ADAMS和MATLAB进行系统动力学仿真和实验,结果表明,绳索的弹性使骨盆的实际运动范围变小,且出现了位姿误差,距起始点越远该误差越大。 展开更多

关键词 绳索牵引 弹性 动平台 康复机器人 静态刚度 动力学

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绳索牵引康复机器人控制及仿真研究 被引量：6

6

作者 张立勋 王克义 徐生林 《智能系统学报》 2008年第1期51-56,共6页

康复机器人是典型的人机合作系统.人与机器人在同一物理空间,因此对机器人的柔顺性、安全性提出了严格要求.绳索驱动具有柔顺性好、占空间小、重量轻等特点,不会与人体产生刚性碰撞、冲击,非常适合于康复机器人的驱动控制.由于绳索的柔... 康复机器人是典型的人机合作系统.人与机器人在同一物理空间,因此对机器人的柔顺性、安全性提出了严格要求.绳索驱动具有柔顺性好、占空间小、重量轻等特点,不会与人体产生刚性碰撞、冲击,非常适合于康复机器人的驱动控制.由于绳索的柔性使其只能承受拉力,其牵引构成冗余驱动系统,因此绳索位置伺服系统须引入力控制,保证工作时绳索具有一定的张力.针对康复训练机器人的人体骨盆控制问题,设计了基于绳索驱动的伺服控制系统,通过Matlab提供的sisotool进行PI和PD控制器的设计,并对张紧力、位置和二者之间的相互影响进行了仿真分析,证明了绳索驱动适合对骨盆规律的控制,并且可以在其他绳索牵引控制技术上得到应用和推广. 展开更多

关键词 绳索牵引 力控制 伺服控制 骨盆运动

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绳索牵引康复机器人运动误差及仿真分析 被引量：2

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作者 王克义 郭钽 +2 位作者 张立勋 刘攀 徐生林 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第11期1210-1215,共6页

绳索牵引康复训练机器人具有柔顺性好的特性,满足人与机器人在同一物理空间时安全性的要求.通过绳索牵引控制骨盆的运动规律,使其与下肢步态运动相协调,同时提高受训者稳定能力.为满足训练效果,需保证骨盆运动精度,由此分析了绳索牵引... 绳索牵引康复训练机器人具有柔顺性好的特性,满足人与机器人在同一物理空间时安全性的要求.通过绳索牵引控制骨盆的运动规律,使其与下肢步态运动相协调,同时提高受训者稳定能力.为满足训练效果,需保证骨盆运动精度,由此分析了绳索牵引康复机器人影响骨盆运动精度的因素,即绳索本身的弹性和绳索过轮的半径.依建立的绳索牵引康复机器人模型,得到绳索拉力的表达式,导出系统正逆运动学和动力学方程.分析了在弹性范围内绳索具有的拉伸刚度,明确其对骨盆运动精度的影响;通过不同位置时绳索变化量的方法证明了绳索过轮半径对骨盆运动精度的影响.利用MATLAB的建模仿真,分析了2个因素对骨盆运动精度的不同影响规律,提出了改进方法,得出减重外力对垂直轴加速度误差的影响.该分析为骨盆的控制做准备,同时具有普遍性,可为其他绳索牵引系统提供参考作用. 展开更多

关键词 绳索牵引 位置误差 康复机器人 骨盆运动

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绳索牵引骨盆康复机器人的骨盆刚度分析及骨盆运动轨迹规划研究 被引量：2

8

作者 张立勋 王克义 +1 位作者 刘攀 张今瑜 《高技术通讯》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第9期928-932,共5页

针对绳索牵引骨盆康复机器人的骨盆刚度控制以及骨盆运动轨迹规划进行了研究。通过建立欠约束1R3T 绳索牵引骨盆康复机器人的力学模型,解出了绳索拉力的表达式,并分析拉力解中零空间拉力部分对骨盆刚度的影响,得出控制绳索拉力能够实现... 针对绳索牵引骨盆康复机器人的骨盆刚度控制以及骨盆运动轨迹规划进行了研究。通过建立欠约束1R3T 绳索牵引骨盆康复机器人的力学模型,解出了绳索拉力的表达式,并分析拉力解中零空间拉力部分对骨盆刚度的影响,得出控制绳索拉力能够实现对骨盆的刚度控制,为以后实现柔顺性控制提供了理论依据;基于凸集理论分析了骨盆不同位姿所属空间性质的不同,依此对牵引绳索进行合理布置,以保证骨盆在规划运动空间内的刚度完全可控,并基于矢量封闭原理和绳索拉力平衡对工作空间进行分析;通过 MATLAB 仿真证明了骨盆规划轨迹中绳索牵引的可控性,得出了骨盆位姿及绳索长度的变化规律,分析了骨盆位姿对绳索长度影响的原因。其规划结果可为该机器人运动控制的研究提供依据。 展开更多

关键词 绳索牵引 康复机器人 刚度 工作空间 骨盆运动 轨迹规划

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1R2T绳索牵引骨盆康复机器人动力学 被引量：2

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作者 王克义 张立勋 +1 位作者 张今瑜 刘富强 《江苏大学学报（自然科学版）》 EI CAS 北大核心 2010年第2期131-135,共5页

运用影响系数方法对1R2T绳索牵引骨盆康复机器人的运动学进行了分析,得出骨盆运动与绳索运动的映射关系,通过Matlab对骨盆步态中期望轨迹进行仿真,得到各根绳索加速度变化曲线;基于机器人力螺旋平衡方程,并利用牛顿欧拉法和达朗伯原理... 运用影响系数方法对1R2T绳索牵引骨盆康复机器人的运动学进行了分析,得出骨盆运动与绳索运动的映射关系,通过Matlab对骨盆步态中期望轨迹进行仿真,得到各根绳索加速度变化曲线;基于机器人力螺旋平衡方程,并利用牛顿欧拉法和达朗伯原理建立了机器人动力学模型.运用仿真方法对机器人逆动力学特性进行分析,得出绳索最小拉力阈值的设置对各根绳索拉力变化规律具有影响的结论.运用Matlab和Adams建立了机器人动力学模型,分别对是否考虑绳索刚度两种不同情况进行了联合仿真,结果证明所建模型的正确性,同时得出绳索最小拉力阈值和绳索刚度对系统运动性能的影响规律. 展开更多

关键词 绳索牵引 康复机器人 动力学 刚度

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绳索牵引骨盆康复机器人的轨迹规划 被引量：1

10

作者 王克义 张立勋 +1 位作者 刘攀 张今瑜 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第3期253-257,共5页

根据正常人步态运动中骨盆在水平面内的运动情况,对绳索牵引康复机器人进行了轨迹规划研究。依绳索牵引骨盆机构方案,用影响系数方法建立绳索牵引骨盆康复机器人运动学方程,得出骨盆运动与绳索运动的映射关系;基于达朗伯原理建立骨盆的... 根据正常人步态运动中骨盆在水平面内的运动情况,对绳索牵引康复机器人进行了轨迹规划研究。依绳索牵引骨盆机构方案,用影响系数方法建立绳索牵引骨盆康复机器人运动学方程,得出骨盆运动与绳索运动的映射关系;基于达朗伯原理建立骨盆的动力学方程,求解出绳索拉力解,并对绳索驱动单元建立动力学方程。通过MATLAB软件对骨盆在步态运动过程中的轨迹进行仿真,得到了各根绳索位置、速度、加速度变化曲线;在考虑绳索工作承受最小拉力和最大拉力阈值的限制时,仿真各根绳索所受拉力变化曲线,可得各根绳索拉力处于对外力平衡和内力平衡的情况,并得到施加在伺服电动机上的电压变化曲线。 展开更多

关键词 绳索牵引 康复机器人 轨迹规划 骨盆运动 影响系数

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3自由度绳索牵引并联机器人的工作空间分析 被引量：2

11

作者 张立勋 刘攀 张晓超 《机械设计》 CSCD 北大核心 2008年第11期24-26,共3页

给出了所设计的平面1R2T三自由度绳索牵引机器人模型,建立了其运动学的逆解模型。在对机器人进行可达工作空间分析的基础上,提出了一种基于矢量封闭原理的可控工作空间;同时在MATLAB环境下采用Monte-Carlo方法对可达工作空间和可控工作... 给出了所设计的平面1R2T三自由度绳索牵引机器人模型,建立了其运动学的逆解模型。在对机器人进行可达工作空间分析的基础上,提出了一种基于矢量封闭原理的可控工作空间;同时在MATLAB环境下采用Monte-Carlo方法对可达工作空间和可控工作空间进行了仿真。仿真结果表明机器人的可控工作空间都落在可达工作空间范围内,验证了可控工作空间分析方法的可行性。该方法也适用于多自由度的绳索牵引并联机器人。 展开更多

关键词 绳索牵引 并联机器人 矢量封闭 工作空间分析

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绳索牵引康复机器人样机的研制及实验研究

12

作者 刘攀 张立勋 +1 位作者 王克义 万晓正 《高技术通讯》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第9期939-943,共5页

针对在康复训练过程中如何协调控制患者的骨盆运动轨迹的问题,研制了由4根绳索牵引的三自由度绳索牵引并联机器人样机,用来实现对患者骨盆平面运动轨迹的控制。建立了机器人的动平台力学平衡方程,在此基础上分析了机器人系统的刚度问题... 针对在康复训练过程中如何协调控制患者的骨盆运动轨迹的问题,研制了由4根绳索牵引的三自由度绳索牵引并联机器人样机,用来实现对患者骨盆平面运动轨迹的控制。建立了机器人的动平台力学平衡方程,在此基础上分析了机器人系统的刚度问题,提出了一种力/位并行控制策略——位置环和力环分别用于实现机器人动平台运动轨迹和绳索张力大小的控制,并对此策略进行了实验验证。实验结果表明,机器人的力/位控制策略是可行的,可以通过调整绳索的内张力来改变系统刚度,实现对机器人系统的柔顺性控制。 展开更多

关键词 绳索牵引 康复机器人 力/位控制 柔顺性控制

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绳索牵引自动水平调节机器人综合控制策略 被引量：2

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作者 余意 易建强 +2 位作者 李成栋 赵冬斌 张建宏 《电机与控制学报》 EI CSCD 北大核心 2009年第6期891-896,共6页

针对贵重精密载荷在装卸过程中需要维持其对接面水平及受力均衡的需求,研发基于绳索牵引的自动水平调节机器人系统,提出一种由绳索牵引力均衡分配策略和载荷对接面水平倾角调节策略构成的综合控制方案,以确保在绳索牵引力均衡分配的前... 针对贵重精密载荷在装卸过程中需要维持其对接面水平及受力均衡的需求,研发基于绳索牵引的自动水平调节机器人系统,提出一种由绳索牵引力均衡分配策略和载荷对接面水平倾角调节策略构成的综合控制方案,以确保在绳索牵引力均衡分配的前提下实现载荷对接面水平调节。受力均衡分配策略通过调整绳索长度来改变绳索牵引力的分布,载荷对接面水平倾角调节由模糊神经控制器实现,该控制器的参数由基于LSE方法和BP算法的混合算法训练得到。实验结果表明,综合控制方案能够实现载荷的水平调节及绳索牵引力均衡分配,且能满足实际应用的精度需求。 展开更多

关键词 机器人 绳索牵引 水平调节 牵引力调节

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6自由度绳索牵引并联机器人的悬链线建模与动力学分析 被引量：5

14

作者 颜玉娇 尚伟伟 《中国科学技术大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第7期546-554,共9页

针对6自由度大跨度绳索牵引并联机器人存在绳索悬链线效应的问题,分别建立了绳索的直线模型和绳索的悬链线模型,在此基础上推导了并联机器人的动力学模型,并对二者进行分析和比较.在绳索牵引并联机器人逆动力学的求解过程中,采用带约束... 针对6自由度大跨度绳索牵引并联机器人存在绳索悬链线效应的问题,分别建立了绳索的直线模型和绳索的悬链线模型,在此基础上推导了并联机器人的动力学模型,并对二者进行分析和比较.在绳索牵引并联机器人逆动力学的求解过程中,采用带约束的非线性优化方法作为求解工具来计算满足绳索单向力约束的绳索张力.仿真结果表明,考虑绳索的悬链线模型时,并联机器人逆动力学解得到的绳索末端张力与绳索的线性模型相比有很大的变化,故绳索悬链线效应不可忽略,动力学分析中必须加入绳索的悬链线模型. 展开更多

关键词 绳索牵引并联机器人 动力学 悬链线 带约束的非线性优化方法

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轻型绳索牵引机电力驱动的研究

15

作者 汪懋华 《农业机械学报》 EI CAS 1963年第3期22-37,共16页

1958年以来,在我国广泛地开展了輕型电力绳索牵引机的試驗研究工作。几年来,由于科学工作者們的努力及群众性的实踐,在創造和改善绳索牵引机組的結构,提高机組的使用性能等方面,取得了良好的結果。实踐証明,輕型绳索牵引机可以有效地用... 1958年以来,在我国广泛地开展了輕型电力绳索牵引机的試驗研究工作。几年来,由于科学工作者們的努力及群众性的实踐,在創造和改善绳索牵引机組的結构,提高机組的使用性能等方面,取得了良好的結果。实踐証明,輕型绳索牵引机可以有效地用于我国某些水田地区的机械化作业,因而有必要进一步开展这方面的研究工作。 展开更多

关键词 牵引机 机械特性 拉管机 异步电动机 感应电动机 过渡状态 阻力矩 电力 绳索牵引 示波图 弹性伸长 动态系数 动系

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贺兰山深处的绿色尖兵

16

作者 杨军民 《国土绿化》 2024年第5期35-37,共3页

去年初秋的一个上午,天高云淡,空气澄澈,我们的车子驶出市区,沿着302省道,向大磴沟一带挺进。道路两旁一人多高的侧柏、樟子松、榆树等树木构成了两条浅浅的绿色林带,沿着道路一路前行,像两根绿色的绳索牵引着我们,向前、向前。大磴沟... 去年初秋的一个上午,天高云淡,空气澄澈,我们的车子驶出市区,沿着302省道,向大磴沟一带挺进。道路两旁一人多高的侧柏、樟子松、榆树等树木构成了两条浅浅的绿色林带,沿着道路一路前行,像两根绿色的绳索牵引着我们,向前、向前。大磴沟一带的绿化由宁夏回族自治区石嘴山市生态保护林场管护。我们此行就是去这个林场,采访全国绿化奖章获得者、宁夏首届“最美退役军人”、石嘴山市“最美劳动者”,石嘴山市生态保护林场的党支部书记、场长张廷谢。 展开更多

关键词 绳索牵引 樟子松 生态保护 全国绿化奖章 党支部书记 退役军人 石嘴山市 天高云淡

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矿山钻孔救援探测机器人设计 被引量：12

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作者 马宏伟 姚阳 +3 位作者 赵昊 梁林 马琨 田海波 《工矿自动化》 北大核心 2019年第9期1-6,共6页

基于矿山钻孔救援探测需求,针对现有探测机器人信息探测范围窄、探测距离较短、功能单一、无越障能力等问题,设计了一种矿山钻孔救援探测机器人。该机器人能够通过Φ225mm救援钻孔到达煤矿井下,利用携带的传感器和摄像头获取灾变区域的... 基于矿山钻孔救援探测需求,针对现有探测机器人信息探测范围窄、探测距离较短、功能单一、无越障能力等问题,设计了一种矿山钻孔救援探测机器人。该机器人能够通过Φ225mm救援钻孔到达煤矿井下,利用携带的传感器和摄像头获取灾变区域的环境信息和被困人员信息,并将信息实时传到地面;以NImyRIO作为控制核心,采用LabVIEW图形化编程构建控制系统,利用有线通信方式实现机器人在灾变区域内的数据远程控制。试验结果表明:该机器人运动性能良好,具有体积小、质量轻、越障能力强等特点,可顺利通过救援孔,能够对井下环境信息进行实时检测和传输,为地面救援指挥中心决策提供了第一手资料。 展开更多

关键词 矿山钻孔救援探测机器人 救援钻孔 小管径有线式小型履带式机器人 绳索牵引 自主行走 越障能力

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