通过对脑卒中导致的偏瘫运动缺陷症状进行分析,建立不同运动状态下康复机器人的运动学和动力学模型,开展康复机器人构型综合与尺度优化设计,并对关键功能部件进行一体化、模块化与轻量化设计,完成了一款具有4个自由度的脑卒中下肢康复机器人的设计。同时,对各关节的康复训练进行参数化研究,使人体关节所承受的关节力均在可承受范围内,以保证康复训练的安全性。

面向多种复杂路面执行任务的需求,基于生物学变胞机理,提出了一种轮履型可重构机器人。该机器人包括两种运动模式,即车轮模式与履带模式,通过两种模式之间的切换可显著提高机器人的多地面适应性。开展了轮-履模式切换机理与传动原理研究,分析了地面接触宽度变化规律,得到了履带模式下的最大接触宽度为230.36 mm;分别计算了机器人在车轮和履带模式下的越障能力,通过仿真软件分析了机器人重心位置在越障时的变化趋势;最后,集成动力系统研制了机器人样机,以不同高度的木板和空心砖作为试验台对机器人进行了模式切换、越障性能分组测试。结果表明,车轮、履带模式下最大越障高度分别为98.5 mm和290 mm,与理论推导结果一致。此外,机器人能够在轮式与履带模式之间柔顺切换,具有多种复杂路面适应能力。

目前,机器人关节减速机均为定比传动方式,造成关节电机难以达到峰值效率。基于嵌套结构,提出了一种机器人用紧凑型的无级变速器,通过实时改变传动比,可有效提高电机功率使用效率。首先,开展了变速传动机理研究,得到了传动比相对于行星轮与太阳轮半径之比的关系;设计了嵌套结构以及行星轮、太阳轮板轴向移动系统。其次,推导了行星轮、太阳轮包角、传动比以及金属带径向移动数学模型,基于多刚体动力学仿真软件对变速器的输出速度进行了仿真验证;结果表明,变速器正、反向偏差分别为1.89%、3.87%。最后,制作出变速器的原理样机并搭建转矩实验平台,设定输出转矩为特定值,测试了对应输入转矩;实验显示,测试数值与理论数值相比基本相同,平均传动效率为72.1%,间接验证了理论推导的正确性。