随着体育强国战略的兴起和后疫情时代全民运动浪潮的复苏,脚踝受伤问题也日益突出。脚踝康复产品设计合理与否关系到患者的康复成效与周期。文章以脚踝康复为研究对象,结合目前国际上较为先进的气动肌肉技术,升级改造现有的脚踝康复器,通过对造型、结构、材质等多方面的创新设计,打造一款全新概念的医护产品,以期为新产品的开发提供一个全新的解决方案。

气动人工肌肉是一种新型的柔顺性驱动器,但由于采用硅胶等非线性材料而存在明显的迟滞现象,并且其滞环参数随着负载的不同而变化。本文基于广义Prandtl-Ishlinskii迟滞模型,引入气动肌肉的负载参数,建立了计及动态负载的迟滞模型Load-dependent generalized Prandtl-Ishlinskii(LGPI)。在0~100N的负载范围内进行实验,验证了该模型能较好地描述气动肌肉在动态负载作用下的不对称迟滞特性,其滞环回路位置误差最大不超过1mm。将LGPI模型的逆作为PID控制的前馈环节,以控制气动肌肉驱动的机械单指灵巧手手指,在不同负载下进行角度跟踪实验。与无前馈的PID控制实验结果对比分析表明,增加基于LGPI模型的前馈环节能提高控制系统的响应速度和控制精度。

建立了PWM高速开关阀控制的气动人工肌肉单关节的4阶SISO动态数学模型,针对实现轨迹跟踪目标,采用输入输出线性化方法得到相对阶数为3的等价系统,该等价系统零动态渐近稳定。由于系统具有参数不确定性和未建模动态特性,采用了带积分的滑模变结构控制。实验结果表明,采用基于等效降阶模型的鲁棒控制,当模型存在误差时,能在关节的整个运动范围内实现较高精度的轨迹跟踪,且对气源压力和负载变化等外加干扰具有良好的鲁棒性。

大部分机器人用于工业生产领域,其中一部分特殊用途的机器人发展出了更多的交互方式,在这种情况下,可穿戴机器人(WRS)应运而生。可穿戴机器人以操作者为导向。他们可以被定义为穿戴在操纵者身上,或者替代操纵者身体的一部分,增强他们原本的能力。机械外骨骼作为其中一种机器人,通过包裹在使用者身体侧面与使用者进行动作同步,增强使用者的活动能力。本项目将以设计一套以气动肌肉为执行元件的可携带上肢外骨骼系统,开展相关的研究。在分析了人体上臂结构,运动机理的基础上设计了含有三自由度的上肢外骨骼机械机构并进行了气动肌肉及气动系统、电子系统的设计及制作。在Autodesk Inventor中对其进行建模,仿真,硬件制作。之后使用压力传感器采样以及PID控制策略对各关节设计了满足外骨骼与使用者动作协调控制的控制系统。最后对外骨骼...

肘关节的设计和控制是仿人手臂的研究重点。为了得到肘关节的模型,首先搭建测试平台对单根气动肌肉进行静态建模,再建立级联式肘关节的名义模型,采用最小二乘参数辨识得到模型的参数。基于Luenberger干扰观测器设计了滑模控制律。分别采用PID控制、滑模控制和基于干扰观测器的滑模控制对肘关节位置跟踪进行仿真和实验,在仿人手臂末端夹持半瓶矿泉水作为负载和外界不确定性干扰,测试3种控制算法的性能。仿真和实验结果表明,基于干扰观测器的滑模控制位置跟踪精度和鲁棒性均优于滑模控制和PID控制。

设计了一种全部由柔性材料制成的气动肌肉。通过理论分析和Abaqus软件仿真确定气动肌肉的设计参数,然后按照设计参数进行气动肌肉的制作。根据气动肌肉的工作条件搭建气动控制回路,利用Matlab GUI设计上位机操作界面以进行实验数据的采集。

柔顺控制是共融机器人研究的重点。针对级联式气动肌肉肘关节动力学模型,建立了以滑模位置控制为内环、触力导纳控制为外环的控制结构;设计了带干扰观测器的滑模控制器(SMCDO),证明SMCDO算法的收敛性;将环境等效为弹簧模型,设计了外环导纳控制器,并给出控制律。搭建实物测试平台,分别开展阈值力、力安全阈值测试以及碰撞测试,并分析了刚度系数对修正轨迹和接触力的影响。实验结果表明:关节柔顺性与刚度系数相关;SMCDO内环导纳控制精度优于无干扰观测器的滑模控制器内环导纳控制;所设计的控制算法稳定且有效。

介绍了一种基于气动肌肉的肘杆-杠杆串联力放大夹紧装置的设计创新思路和方法。分析和介绍了其工作原理及技术特点,并给出了夹紧力计算公式。设计的机构具有力输出大、结构美观、节能环保等特点。

针对气动肌肉驱动的髋关节康复训练装置存在时延、非线性和时变特性，设计基于参数模型的隐式广义预测控制器，并将其应用于髋关节康复训练装置的等速持续被动运动控制中。实验研究表明：在负载干扰变化下，隐式广义预测控制器具有控制精度高、抗干扰能力强等特点，同时对系统模型参数的变化有较好的适应能力：对提高类似医疗器械的控制性能有借鉴意义。

肢体康复机器人运动速度低、位置精度要求不高但柔顺性和安全性要求高。气动肌肉是一种新型柔性驱动器适合于康复机器人的驱动。气动肌肉具有时滞、非线性等特点关节位置控制难度增大。由此建立了关节模型采用了模糊控制技术借助MATLAB的Simulink得到模糊控制查询表。实验表明本控制算法较好地实现了关节位置控制。