针对弹跳仿生机器人存在的主要问题,结合婴猴体型小且具有平稳暴发弹跳的特点,提出了一种仿婴猴单腿弹跳机器人,对其主要结构和控制系统进行了设计。通过分析婴猴的腿部结构,基于Stephenson六杆机构原理,设计了一种仿婴猴机器人腿部的平面八连杆机构,并对其轨迹进行优化,获得了具有最佳弹跳能力的杆长参数;对机器人弹跳的3个方向进行控制调整,利用双闭环反馈控制系统实现了机器人在起跳、腾空、落地时姿态的稳定;最后,建立了机器人的实物验证模型,整个机械装置质量为395.5 g,整体高度为250 mm。实验结果表明,该仿生单腿机器人可实现连续稳定的跳跃,最高弹跳速度可达20 m/s,弹跳高度为100 mm时的响应时间为0.1 s。

为分析爬梯姿态对爬梯轮椅运动特性及稳定性的影响,提出了前进式爬梯轮椅的构思。对爬梯轮椅进行结构设计并建立爬梯轮椅的运动学模型,通过仿真分析了前进式爬梯轮椅运动特性,验证了其运行的稳定性;引入轮椅重心变化参量,构建了前进式爬梯轮椅的倾翻稳定性定量分析方程,得到轮椅爬梯过程稳定度变化情况。结果表明,爬梯轮椅稳定性与爬梯姿态存在关系,前进式爬梯轮椅稳定度在0.26~0.74,最小值提高了136.36%,最大值提高了100%。制作样机并进行实验,验证了前进式爬梯轮椅的可行性与有效性。

随着下肢功能障碍者在人口中所占比例逐年增长,以物理辅助治疗为主要形式的下肢外骨骼成为康复领域的研究热点之一。提出了一种穿戴式下肢外骨骼样机模型并对其运动性能进行了分析。首先,建立了人体下肢与外骨骼的运动机制对应关系;其次,应用标准D-H法构建外骨骼运动学数学模型,通过齐次变换矩阵进行正、逆运动学解算,并检验了模型及解算方程的正确性;最后,基于人体下肢步态特征对人机耦合模型进行了仿真,曲线拟合优度表明,外骨骼运行平稳,且具有较好的兼容性和跟随性能。获得的各关节曲线数据为下肢外骨骼控制策略的制定提供了数据基础。

采用柔性片段外侧串联布置,同时考虑倒置设计原则,设计了两种大变形平面折展铰链,分别命名为OSD-LEJ(Outside-series-deployed lamina emergent joint)与IOSD-LEJ(Inverted-outside-series-deployed lamina emergent joint)。设计了铰链的结构,推导了铰链的弯曲等效刚度计算式。设计两种铰链实例,分别进行弯曲变形的理论计算与有限元仿真,并计算两种结果之间的误差,误差结果分别在4%与4.2%左右,验证了弯曲等效刚度计算式的正确性。对具有相同特征尺寸的OSDLEJ、IOSD-LEJ与文献中的大变形铰链OD-LEJ进行性能对比分析,结果显示,OSD-LEJ与IOSDLEJ的弯曲变形分别提升到OD-LEJ的1.2倍与1.31倍,拉伸变形仅是OD-LEJ的1.16倍与1.18倍,铰链的综合性能得到了提升。验证了铰链结构设计的有效性与合理性,为大变形铰链LEJ的结构设计提供了思路与参考。

根据城轨列车驱动电机与齿轮箱之间连接的需要,设计了用于城轨列车的一种齿式联轴节。在设计过程中,从齿式联轴节结构、齿部的几何参数、密封结构、齿部侧隙的理论计算、空间运动分析等方面进行了研究;建立了齿式联轴节的三维模型,基于Ansys计算软件对齿式联轴节的3种运行工况进行了有限元分析,并运用ZGCAD齿轮软件进行了齿轮强度计算;设计制造齿式联轴节样机,进行了样机周期性循环试验。研究结果可为其他领域齿式联轴节的设计提供借鉴和参考。

针对无碳小车运动过程中存在的轨迹跑偏、调试缺乏参考的问题,选用RSSR机构作为转向装置,基于空间四连杆机构的运动特性,建立了小车避障运动的数学模型;从运动学角度分析了空间四连杆各参数变化对小车轨迹的影响,并从动力学角度探究了四杆参数变化对其运动过程的影响,得出基于RSSR机构的无碳小车运动的一般规律;对小车进行实物调试证明,小车能够平稳运行并成功避过30个障碍物。文中所建立的数学模型及对RSSR机构进行研究所得出的小车运动规律对无碳小车的实际调试具有较高的工程指导意义。

针对上肢外骨骼康复机器人功能单一、拟人化程度低及对侧互换不便的问题,基于人体解剖学,呈模块化设计了一种10自由度外骨骼康复机器人;在6个主动自由度基础上,增加4个被动自由度,既可满足多关节组合训练,又可提升其柔顺性和普适性。介绍了10自由度外骨骼上肢康复机器人的结构与特点;通过D-H法,建立运动学方程,结合Robotics Toolbox验证了运动方程的正确性;在Adams中运用Step函数获得末端质心连续平稳的运动轨迹;最后,利用蒙特卡洛法将获得的工作空间云图与人体手臂末端运动范围进行对比,验证了其工作范围的合理性。研究表明,该外骨骼康复机器人结构设计方案与数学模型可行且正确。

针对由脑卒中造成上肢运动功能障碍的偏瘫患者康复训练的问题,设计了一种肩关节全驱动式5自由度上肢外骨骼康复机器人。基于人机工程学与康复医学原理,确定上肢自由度和各关节的运动范围,并设计了上肢康复机器人结构;建立上肢康复机器人的运动学和动力学模型,推导了运动学和动力学方程;对所设计的上肢康复机器人进行仿真分析和工作空间分析,并对比分析了肩关节内收/外展两种运动形式。结果表明,设计的康复机器人关节运动平稳,转矩波动较小,对手臂无过大冲击,进行肩关节内收/外展的运动时间减小。验证了上肢康复机器人设计的合理性和康复过程的便捷性。

针对中风患者腕部运动功能障碍及康复训练问题,提出了一种基于共轴球面并联3RRR机构的手腕康复装置。该装置由3个电机驱动,末端执行机构能够实现球面运动,以模拟手腕3自由度复合运动,实现手腕康复训练。为了达到紧凑性设计的目的,采用了三轴共轴球面并联机构和同步带传动的设计方案。在此基础上,建立手腕康复装置运动学数学模型,获得了电机输入角度与末端执行机构输出位姿之间的关系;并确定康复装置的工作空间绕X轴旋转最大角度为32°,绕Y轴旋转最大角度为37°,绕Z轴全周旋转。最后,加工出实验样机进行实验验证。结果表明,该装置运转平稳,工作空间内不存在卡死现象。

为解决由于下肢肌力衰退、骨关节疾病、心脑血管疾病、脊髓损伤等导致的半失能老人下肢运动功能障碍问题(如无法独立完成行走、站立、坐下等基本生活动作),提出了一种具有辅助行走、辅助落座、辅助搬移功能的移动辅助机器人结构设计方案。针对人体尺寸分布规律,对结构部件进行了尺寸计算。为保证机构具有足够的结构强度,对关键部件进行了有限元仿真分析。在此基础上,建立了人-机耦合系统模型,完成了人-机耦合情况下的运动学仿真。提出了移动辅助机器人硬件系统设计方案,搭建了电气系统连接,完成了硬件电路设计。为验证理论成果的正确性,加工了实验样机,进行了相关实验。