变刚度柔顺驱动器及其在能量辅助骨骼服中的应用

能量辅助骨骼服是一种典型的人机交互系统,用于辅助人体进行能量放大,已经成为近十年来国内外研究的热点,但目前在骨骼服的安全性、能量效率和辅助效率等方面研究普遍不足。文章综合归纳了柔顺驱动器和变刚度柔顺驱动器的一些基本概念,分析了几种变刚度柔顺驱动器的特点及应用,并得到结论：变刚度柔顺驱动器具有最大限度的吸收冲击力、安全地与用户交互、内置被动弹性元fl=9,而具有储存和释放能量的能力等特点。因此,在骨骼服系统中,应用变刚度柔顺驱动器已成为骨骼服发展的必然趋势。最后,指出了变刚度柔顺驱动器在骨骼服应用中的研究方向。     

外骨骼机器人控制方法综述

外骨骼是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的一种人机结合的机器人,它可以辅助人承受负载,有效增强人的负重能力,帮助人们在各种复杂地形上面行走。外骨骼技术是一种复杂的人机技术,在国际上发展迅速,但在我国还处于起步阶段。文章介绍了外骨骼技术的研究现状,详细论述了外骨骼的控制目标和各种控制方法,希望引起研究人员对外骨骼技术发展的重视,促进我国在外骨骼领域的发展。     

基于STM32F429的全向运动平台的运动控制

全向运动平台系统是可以实现人体在各个方位行走的2D运动平台。针对实现人体在全向运动平台稳定行走的运动控制,采用加入观测器的一阶控制算法对平台运动控制进行探究。先通过MATLAB软件进行算法的仿真,验证方法的可行性;再通过现场测试,验证控制算法的有效性。最终试验表明,加入观测器的一阶控制算法可对全向运动平台实现有效的运动控制。此运动控制策略的探究为全向运动平台的运动控制提供了一种可行的控制思路和方案。     

外骨骼辅助行走中平衡控制技术的研究

外骨骼辅助行走中平衡控制是低重力环境下保持正常的平稳行走姿态以及行走安全性的关键,针对这一问题阐述了外骨骼辅助行走中基于位置控制与ZMP(零力矩点)控制相结合的综合平衡控制策略。首先通过建立ADAMS虚拟仿真模型,为控制策略的研究提供仿真模型和参考数据;建立了支撑域模型和ZMP检测模型,并设计了平衡控制策略,在基于地面外骨骼系统的演示验证中,将人机系统等效为两连杆支撑质点的模型,通过控制膝关节液压杆,使系统的ZMP始终处于稳定支撑域内,由此保证人机系统处于平衡状态;同时将位置控制与改进的ZMP控制结合在一起,设计综合控制策略,采用分段控制方式,不仅提高了人机系统的柔顺性及穿戴者的舒适度,同时也提高了人机系统运动的稳定性和安全性。     

舱外航天服-航天员下肢系统动力学建模与分析

针对未来月球、火星等地外星体表面探测对舱外航天服下肢系统活动性的需求,探讨了充压航天服对航天员下肢运动的影响,进行了航天服下肢系统自由度配置、航天服-航天员下肢系统的建模、运动学和动力学分析。首先,结合人体生理结构特点和工效学要求,配置了具有12个自由度的航天服下肢关节系统。然后采用DH参数法,对单腿6自由度系统进行了正逆运动学分析,并利用拉格朗日方法建立了人服系统的动力学方程。最后,以直立行走和上下楼梯模拟不同路况,定量分析了航天员在未着服、着服未充压和着服充压状态下髋关节、膝关节和踝关节的力矩变化。结果表明,航天服质量、转动惯量和关节阻力矩将增加航天员的活动负荷;不同路况下,下肢各关节的力矩受到不同影响。未来星表探测航天服设计时,合理确定航天服质量、关节结构形式是非常必要的。     

柔性冗余度机器人振动的分析与控制

应用最优控制理论,对柔性冗余度机器人振动控制问题的原理与策略进行了研究。把主动控制思想应用于机器人振动控制中,提出了控制柔性冗余度机器人振动的一种方法。这种方法通过规划机器人的自运动加快系统振动能量的消耗以实现主动振动控制。此外,通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人具有二次优化的能力,这对于提高机器人的工作性能是十分重要的。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

基于骨骼服的虚拟人体建模与仿真

下肢外骨骼是一种人机结合的可穿戴的智能装置,用来提高单兵行走时的负荷能力。通过结合人的智能和机械的力量,使人与机械的优势得到互补,不仅可以避免用机械模拟人的智能带来的困难,还能够拓展穿戴者的负荷能力。文章首先基于人体行走的生物学特征利用零力矩点（ZMP）稳定性理论,分析了人体的动态稳定性的特点;然后,在ADAMS中建立了虚拟人体模型,对人体行走模型进行了仿真,通过对比仿真结果,验证了模型ZMP处于稳定状态,并且说明了在ADAMS人体建模与仿真的可行性。     

虚拟航天员多层次运动仿真模型研究与实现

为解决虚拟现实训练中航天员模型实时交互控制和失重运动仿真等问题,提出了一种多层次运动仿真模型,在运动控制层实现运动跟踪,并构建标准化人体运动模型;物理控制层采用物理引擎建立人体多刚体动力学模型;规则控制层为不同的运动方式制定相应规则,显示层使用骨骼蒙皮技术提升显示效果。通过各层次组合的方式,共同实现了虚拟航天员的交互运动仿真。通过两个应用实例,证明了该层次化组合模型实现的虚拟航天员运动,可同时实现实时交互控制、失重运动仿真、交互操作仿真、太空行走仿真以及较好的显示效果,并适用于多种任务场景的航天员训练。     

模拟不同重力水平下多种步态中下肢关节运动特征研究

为探索低重力环境对人体行走和跑步时下肢关节运动特性的影响,搭建了一种悬吊式低重力模拟装置,采用惯性运动捕捉系统,对9名男性受试者在常规重力(1g)、模拟火星重力(1/3g)和模拟月球重力(l/6g)条件下的平地行走(速度4 km/h)、平地慢跑(速度7 km/h)和坡地行走(速度3.6 km/h、坡度15°)进行运动测量,得到了不同重力水平下平地与坡地行走和跑步时髋、膝与踝关节的关节活动范围等运动学数据。结果表明,下肢各关节在矢状面上的屈曲/伸展活动范围远大于冠状面的内收/外展和横截面上的内旋/外旋活动。模拟低重力条件下,髋关节和膝关节在各个平面上的活动范围均明显减小,踝关节活动角度无显著变化规律。通过分析一个步态周期内各关节在矢状面上的角度变化发现,低重力条件下,步态运动的支撑时相变短,摆动时相变长,步态更加缓慢,且倾向于采用一种行走-蹦跳的步态策略。基于以上实验结果,梳理出了满足平地与坡地多种步态需求的下肢关节活动范围,并对星际航天服下肢关节配置进行了初步讨论。     

一种多旋翼多功能空中机器人及其腿式壁面行走运动规划

 提出了一种既可实现飞行功能又可实现壁面运动的多旋翼多功能空中机器人。设计了机器人的结构,分析了其工作原理,研究了机器人腿式壁面行走模式下腿/足与壁面接触时的机体动力学。结合多旋翼推进的机理对机器人在壁面运动模式下的步态进行了规划,基于非线性轨迹线性化控制(TLC)法设计了空中机器人在步态过程中的姿态稳定控制器。在MATLAB环境下对机器人的腿式壁面运动进行了仿真分析研究,仿真结果表明了所设计的步态及其稳定控制方法的可行性。     

舵机电位器的反馈位置误差补偿方法研究

舵机因电位器基准电压线性误差以及负载效应非线性误差等因素产生反馈位置误差,易造成导弹在发射、大机动飞行时控制效率降低,甚至影响到控制系统回路的稳定性。在电位器等效电路模型的基础上,对两类误差产生机理展开了深入研究,提出了一种舵机电位器的反馈位置误差补偿方法,实现了舵面偏角的有效修正。实验结果验证了该反馈位置误差补偿方法的正确性和有效性。     

铰链式下垂前缘机构设计与动力学仿真研究

下垂前缘是一种结构简单的增升装置,能够有效降低气动噪声,减小机构的运动空间,已被应用于A380和A350XW。为了实现下垂前缘按照给定要求定轴转动,需要设计一种机构型式,因此提出一种基于四连杆形式的铰链式下垂前缘机构的设计方法。根据设计输入要求建立下垂前缘机构的线架模型,并对该机构进行运动学和刚柔耦合动力学仿真,得到机构运动过程中角度变化参数和该机构运动过程中的驱动力矩和铰链点载荷。结果表明:随着驱动臂匀速转动,铰链式下垂前缘能够平稳下偏26°;两个驱动平面的最大驱动力矩的比值接近3∶2,且侧撑杆的设置使驱动处的横向受载得到了改善,该机构型式设计合理,为现代民用飞机设计提供了参考依据。     

Variable load failure mechanism for high-speed load sensing electro-hydrostatic actuator pump of aircraft

This paper presents a novel transient lubrication model for the analysis of the variable load failure mechanism of high-speed pump used in Load Sensing Electro-Hydrostatic Actuator (LS-EHA). Focusing on the slipper/swashplate pair partial abrasion, which is considered as the dominant failure mode in the high-speed condition, slipper dynamic models are established. A forth sliding motion of the slipper on the swashplate surface is presented under the fact that the slipper center of mass will rotate around the center of piston ball when the swashplate angle is dynamically adjusted. Besides, extra inertial tilting moments will be produced for the slipper based on the theorem on translation of force, which will increase rapidly when LS-EHA pump operates under high-speed condition. Then, a dynamic lubricating model coupling with fluid film thickness field, temperature field and pressure field is proposed. The deformation effects caused by thermal deflection and hydrostatic pressure are considered. A numerical simulation model is established to validate the effectiveness and accuracy of the proposed model. Finally, based on the load spectrum of aircraft flight profile, the variable load conditions and the oil film characteristics are analyzed, and series of variable load rules of oil film thickness with variable speed/variable pressure/variable displacement are concluded.     

弹簧在下肢外骨骼重心调整中的应用

通过对外骨骼在一个步态周期中重心变化的分析,提出髋关节使用螺旋弹簧结构设计来调整重心高度的方法,使负荷重心在行走过程中维持一个水平高度,减少额外的能量消耗。通过外骨骼的受力分析和等升角圆锥螺旋弹簧疏圈理论,提出一种弹簧选取的设计计算方法,计算的结果说明设计的可行性和方法的正确性。     

一种星球探测六足轮腿机器人的设计与运动规划

针对星球探测,设计了一种具有高度对称性的六足轮腿机器人。为适应星球表面的复杂环境,该机器人具有不仅在机身水平面内中心对称而且关于机身水平面对称的结构,同时能够通过腿部构型的变化实现两种运动方式：轮行模式和足行模式。机器人的膝关节采用双平行四边形的传动机构,克服了现有足式机器人膝关节平行四边形机构传动的奇异问题,增加了膝关节的转动范围,实现了单腿关于机身水平面的对称运动。设计了一种基于指数坐标在SE （3）空间上规划的自适应步态,机器人可以利用该自适应步态在没有视觉传感器和局部地图的条件下,仅依靠足底力传感器和机身的惯性测量单元,实现自主连续稳定的行走。利用该机器人结构的高度对称性,提出了一种倾倒恢复策略以适应星球探测过程中的需求。以Adams和MATLAB为虚拟的仿真环境,对六足轮腿机器人的运动模式切换、自适应步态及倾倒恢复进行了仿真,验证了可行性。     

Geometric Approach in Solving Inverse Kinematics of PUMA Robots

A geometric approach for deriving a consistent joint solution of a six-point PUMA1 robot is presented. The approach calls for the definition of various possible arm configurations based on the link coordinate systems and human arm geometry. These arm configurations are then expressed in an exact mathematical way to allow the construction of arm configuration indicators and their corresponding decision equations. The arm configuration indicators are prespecified by a user for finding the joint solution. These indicators enable one to find a solution from the possible four solutions for the first three joints, a solution from the possible two solutions for the last three joints. The solution is calculated in two stages. First a position vector pointing from the shoulder to the wrist is derived. This is used to derive the solution of the first three joints by looking at the projection of the position vector onto the xi-1-yi-1(i = 1,2,3) plane. The last three joints are solved using the calculated joint solution from the first three joints, the orientation matrices, and the projection of the link coordinate frames onto the xi-1-yi-1 (i = 4,5,6) plane. From the geometry, one can easily find the arm solution consistently. A computer simulation study conducted on a VAX-11/780 computer demonstrated the validity of the arm solution.     

一种新型材料的电阻器和电位器

在航空仪表上使用的电阻器和电位器,要求具有电阻温度系数低,对铜热电势小,电阻率大,耐磨等性能。非晶态Ni-Si-B具有较优越的条件,其微观结构的基本特征是原子在空间排列不具有周期性和对称性;原子的排列无长程序,只有几个原子间距范围内有短程序;无晶态金属所具有的滑移面;晶界等。利用非晶态Ni-Si-B合金研制电位器,在电阻温度系数,电阻率,耐磨等性能方面比碳膜电位器优越。     

Radio interferometer for geosynchronous-satellite direction finding

A radio interferometer capable of azimuth-elevation direction finding for geosynchronous satellites has been developed. The interferometer has two small-diameter antennas and four movable planar mirrors. The movable mirrors reflect the microwaves from the satellite and guide them to the fixed receiving antennas. Two of the movable mirrors are mounted on a rotary arm, so that the baseline of the interferometer can rotate in the horizontal plane. This configuration enables the interferometer to eliminate phase-ambiguity problems and cable-phase errors, resulting in a direction finding accuracy of better than 0.01 deg in the Ku band.     

基于摩擦补偿的空间机械臂关节高精度控制研究

空间机械臂关节具有大惯量、高精度的特点,针对空间机械臂关节低速、高精度控制要求,提出一种基于摩擦补偿的双位置闭环控制策略。建立了考虑摩擦和惯量变化等因素的一体化关节动力学模型,分析了全位置闭环系统的稳定性,在此基础上提出了一种基于双位置传感器信息的闭环伺服控制策略,并引入自适应率辨识未知摩擦和惯量变化,利用Lyapunov函数证明闭环系统的稳定性和跟踪误差的渐进收敛性。在测试平台上的试验结果表明,提出的空间机械臂一体化关节伺服控制策略能够有效地提高关节伺服控制精度和系统鲁棒性。