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Adaptive Multi-Objective Optimization of Bionic Shoulder Joint Based on Particle Swarm Optimization 被引量:5
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作者 LIU Kai WU Yang +4 位作者 GE Zhishang WANG Yangwei XU Jiaqi LU Yonghua ZHAO Dongbiao 《Journal of Shanghai Jiaotong university(Science)》 EI 2018年第4期550-561,共12页
To get the movement mode and driving mechanism similar to human shoulder joint,a six degrees of freedom(DOF) serial-parallel bionic shoulder joint mechanism driven by pneumatic muscle actuators(PMAs)was designed.Howev... To get the movement mode and driving mechanism similar to human shoulder joint,a six degrees of freedom(DOF) serial-parallel bionic shoulder joint mechanism driven by pneumatic muscle actuators(PMAs)was designed.However,the structural parameters of the shoulder joint will affect various performances of the mechanism.To obtain the optimal structure parameters,the particle swarm optimization(PSO) was used.Besides,the mathematical expressions of indexes of rotation ranges,maximum bearing torque,discrete dexterity and muscle shrinkage of the bionic shoulder joint were established respectively to represent its many-sided characteristics.And the multi-objective optimization problem was transformed into a single-objective optimization problem by using the weighted-sum method.The normalization method and adaptive-weight method were used to determine each optimization index's weight coefficient;then the particle swarm optimization was used to optimize the integrated objective function of the bionic shoulder joint and the optimal solution was obtained.Compared with the average optimization generations and the optimal target values of many experiments,using adaptive-weight method to adjust weights of integrated objective function is better than using normalization method,which validates superiority of the adaptive-weight method. 展开更多
关键词 multi-objective optimization particle swarm optimization(PSO) pneumatic muscle actuator(PMA) bionic shoulder joint mechanism
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Kinematic Optimization of Bionic Shoulder Driven by Pneumatic Muscle Actuators Based on Particle Swarm Optimization 被引量:3
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作者 Liu Kai Ge Zhishang +3 位作者 Xu Jiaqi Gu Baotong Wang Yangwei Zhao Dongbiao 《Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics》 EI CSCD 2016年第3期301-309,共9页
A bionic shoulder joint with three degree-of-freedom(DOF)driven by pneumatic muscle actuator is proposed and its corresponding kinematic model is established.The bionic shoulder is optimized by particle swam optimizat... A bionic shoulder joint with three degree-of-freedom(DOF)driven by pneumatic muscle actuator is proposed and its corresponding kinematic model is established.The bionic shoulder is optimized by particle swam optimization(PSO)with the fitness standards that the requirements of rotation indexes are met and the fluctuation of motion is kept in the lowest resolution in a pneumatic muscle actuator range.Simulation considering rotation indexes only(first simulation)is compared with the one considering both rotation indexes and motion resolution(second simulation)subsequently.Mounting position of the pneumatic muscle actuators in bionic shoulder is optimized after initializing the same condition in simulations.Results show that the fluctuations of parameters are consistent,and the parameters of the first simulation have good convergence than those of the second one.With the increase of stretch rate of the pneumatic muscle actuator,the needed length of fixed link in the center of static platform decreases in optimization. 展开更多
关键词 bionic shoulder joint particle swam optimization(PSO) kinematic optimization
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基于张拉整体结构的刚柔耦合肩关节机构
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作者 吴志光 杨家楠 曾达幸 《机械设计与研究》 北大核心 2025年第5期274-280,294,共8页
针对传统仿生肩关节刚性结构复杂、平滑性差,以及柔性结构承载卸荷机能不足的问题,结合并联机构精度高、刚度大、位置反解容易等特点,提出了一种并联型-张拉整体结构仿生肩关节机构。首先,从人体肩关节的结构和功能要求出发,将肱骨头和... 针对传统仿生肩关节刚性结构复杂、平滑性差,以及柔性结构承载卸荷机能不足的问题,结合并联机构精度高、刚度大、位置反解容易等特点,提出了一种并联型-张拉整体结构仿生肩关节机构。首先,从人体肩关节的结构和功能要求出发,将肱骨头和关节盂等效为并联机构的动、定平台,两者之间用绳索和弹簧连接,以映射肌肉和韧带的性能,结合肩关节生理尺寸确定机构中各构件尺寸,从而建立刚柔耦合的并联型-张拉整体多体肩关节映射模型。其次,提取仿生肩关节机构的结构拓扑模型,将无内力传递的邻近压杆合并,简化其成为一种只有杆索连接的类张拉整体结构,进而基于力密度法对机构进行找形分析,求解仿生肩关节机构在初始位姿下系统的预应力分布状态,并结合机构位置反解确定弹簧的刚度特性参数。再次,通过对仿生肩关节机构外展-内收、外旋-内旋及前屈-后伸方向进行连续性运动轨迹规划,模拟肩关节运动的轨迹曲线。最后,设计建立了仿生肩关节机构模型并进行实验,验证了仿生肩关节机构模拟人体肩关节运动的有效性与准确性。文中的研究为后续仿生肩关节机构的轻量化、高灵活性研究提供了基础和思路。 展开更多
关键词 仿生肩关节 张拉整体结构 找形分析 弹簧刚度匹配 轨迹规划
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3-P_CSS/S球面并联肩关节机构优化与仿生设计 被引量:12
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作者 侯雨雷 汪毅 +2 位作者 范建凯 胡鑫喆 曾达幸 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第11期16-23,共8页
以实现人体肩关节结构和功能仿生为目标,提出以3-PCSS/S(PC表示具有环形导轨的移动副,S为球面副)球面并联机构为仿生肩关节的原型机构,并针对其开展机构优化与仿生设计。将具有环形导轨的移动副PC等价为转动副,进行机构的位置反解并求... 以实现人体肩关节结构和功能仿生为目标,提出以3-PCSS/S(PC表示具有环形导轨的移动副,S为球面副)球面并联机构为仿生肩关节的原型机构,并针对其开展机构优化与仿生设计。将具有环形导轨的移动副PC等价为转动副,进行机构的位置反解并求解其运动雅可比。应用遗传算法,依据所确定的姿态工作空间约束条件,以机构姿态工作空间的点数为优化目标,对机构尺寸参数进行全局优化;提出偏置设计以扩大机构输出转角范围,提高肩关节的灵活度。研究工作对人形机器人肩关节实体仿生设计及其研制具有理论指导意义和工程应用价值。 展开更多
关键词 肩关节 球面并联机构 仿生设计 姿态工作空间 偏置输出
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新型仿生机械臂肩关节运动学仿真分析 被引量:1
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作者 关天民 李宁 +1 位作者 轩亮 王美令 《大连交通大学学报》 CAS 2018年第1期65-70,共6页
基于仿生学,人体解剖学等基础知识,参照人体肩关节基本运动机理,合理分配自由度及确定各关节运动范围,根据不同关节运动特点选取相应驱动,设计新型肩关节结构.并进行运动学计算,以确定其关节与末端位置相互关系.通过运动学仿真验证运动... 基于仿生学,人体解剖学等基础知识,参照人体肩关节基本运动机理,合理分配自由度及确定各关节运动范围,根据不同关节运动特点选取相应驱动,设计新型肩关节结构.并进行运动学计算,以确定其关节与末端位置相互关系.通过运动学仿真验证运动学理论计算正确,并确定其工作空间及运动轨迹.说明机械臂肩关节结构及尺寸参数设计合理,并为后续动力学分析和控制提供良好基础. 展开更多
关键词 仿生机械臂 肩关节 运动学 仿真
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PAM-Motor复合驱动仿生肩关节结构设计及动力学特性研究 被引量:1
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作者 罗天洪 李会兰 《机械科学与技术》 CSCD 北大核心 2019年第2期170-177,共8页
针对仿生机器人关节重载情况下难以实现精确控制的问题,以及气动人工肌肉(Pneumatic artificial muscle,PAM)控制非线性、时变性、滞后性等特点,受生物关节在肌肉和骨骼的协作下产生运动的启发,提出一种气动人工肌肉和电机复合驱动的新... 针对仿生机器人关节重载情况下难以实现精确控制的问题,以及气动人工肌肉(Pneumatic artificial muscle,PAM)控制非线性、时变性、滞后性等特点,受生物关节在肌肉和骨骼的协作下产生运动的启发,提出一种气动人工肌肉和电机复合驱动的新型驱动仿生肩关节结构设计,用于提高仿生机器人肩关节的控制精度及驱动性能。基于Chou模型及能量守恒定理,推导了复合驱动仿生肩关节结构参数与动力学特性之间的映射模型;通过构建基于拉格朗日动力学的PAM-Motor复合驱动系统俯仰运动和侧摆运动的动力学模型,探究了仿生肩关节复合驱动机理。研究结果表明,PAM-Motor复合驱动仿生肩关节具有良好的精度、灵巧度和承载能力,验证了复合驱动仿生肩关节结构的合理性和有效性。 展开更多
关键词 复合驱动 仿生肩关节 精度与重载 气动人工肌肉 动力学特性
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外骨骼肩关节仿生运动的实现研究 被引量:1
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作者 李海涛 王钰 佟河亭 《青岛大学学报(工程技术版)》 CAS 2015年第4期91-95,共5页
为了更好的实现外骨骼上肢康复机械臂仿人的康复动作,即在手臂自然下垂状态下,实现大臂的直接外展动作,本文通过分析人体肩关节的结构和基本动作以及部分已存在的外骨骼机械臂肩关节的不足,对运动模型进行简化,设计了一种三自由度外骨... 为了更好的实现外骨骼上肢康复机械臂仿人的康复动作,即在手臂自然下垂状态下,实现大臂的直接外展动作,本文通过分析人体肩关节的结构和基本动作以及部分已存在的外骨骼机械臂肩关节的不足,对运动模型进行简化,设计了一种三自由度外骨骼式肩关节。该设计应用在外骨骼机械臂上,可以使机械臂在手臂自然下垂状态下实现外展/内收、前屈/后展、水平外展/水平内收3个基本动作,这样的三自由度(degree of freedom,DOF)联动,可以使外骨骼机械臂实现的日常功能动作更符合人体关节的生理需求,更接近人体自然运动规律。而且三维模型运动模拟结果表明,此设计可达到预期的仿人运动效果。该研究对临床康复仿生运动具有积极意义。 展开更多
关键词 肩关节 外骨骼 功能性康复 仿生运动
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