用于截瘫患者康复训练的足底轮式驱动外骨骼

截瘫患者必须依赖辅具才能保证正常生活,而站立和行走是他们最迫切的需求。该文介绍了一种采用机械结构设计的动力下肢外骨骼,旨在帮助截瘫患者实现交替行走并提高其在康复训练中的参与度。该系统主要包括足底轮式驱动外骨骼和无线控制肘拐2部分。其中外骨骼由置于足底的定制轮毂电机驱动,而肘拐作为辅助器件主要用于保证行走平衡并通过内嵌的无线控制器控制外骨骼行走状态。交替按压左右肘拐上的控制按键可以实现连续行走,而整个行走过程可以完全由使用者实时地掌控。该外骨骼同时设计了电子刹车和最大步长机械限位用以保证使用安全。由一位健康受试者在三维步态分析系统中完成了穿外骨骼和不穿外骨骼情况下的运动对比实验。步态时空参数和运动学曲线表明:该外骨骼可辅助使用者安全而平稳地完成直立行走。     

人机携行外骨骼系统行走过程动力学分析

为研究人机携行外骨骼系统行走过程中各关节的力矩,以人机携行外骨骼系统为研究对象,对负重行走过程进行动力学分析,用光学捕捉系统采集人机携行外骨骼系统负重30 kg,不同行走速度下的试验数据.以SINESQR函数为基函数,通过MATLAB平台对试验数据进行拟合,得到各特征角的运动方程.利用达朗贝尔原理建立各关节的力矩方程,通过MATLAB平台进行分析计算,得到在负重30 kg,行走速度为3、4.8、6 km/h下各关节力矩随时间的变化.研究结果为后续人机携行外骨骼系统质心平衡研究提供了理论基础.     

截瘫助行外骨骼髋关节离合式弹性驱动器

外骨骼能够帮助截瘫患者行走和康复训练。动力助行外骨骼对患者自身的肌肉力量要求较低,但其驱动电机尺寸、重量较大;无动力储能助行外骨骼不需要电机,但对患者的肌力有一定要求,长时间行走容易导致患者疲劳。该文结合两者优势,设计了一种基于棘轮棘爪机构的离合式弹性驱动器,作为助行外骨骼机器人的髋关节驱动器。在支撑期,截瘫患者依靠自身肌力和拐杖转移重心,同时电机将能量储存在扭簧里;在摆动期,已充分储能的扭簧迅速释放能量帮助患者向前迈腿。该文建立了驱动器在支撑期(扭簧储能)和摆动期(扭簧释能)的动力学模型,并以峰值功率为优化目标,优化参数包括电机角加和减速度。仿真结果显示,对比直接用电机和减速器驱动患者髋关节,该驱动器可显著减小电机平均功率和峰值功率,因此可以通过离合式弹性驱动器特殊的设计,选用额定力矩和功率低的小电机,达到减小电机、关节驱动器乃至外骨骼整体结构的尺寸和重量的目的。     

搬运助力外骨骼机器人运动学建模与仿真分析

为辅助工作人员高效轻便地完成搬运工作,设计一款结构合理与运动灵活的搬运助力外骨骼机器人。利用D-H参数法分别建立了外骨骼机器人下肢和上肢的运动学模型,对其进行正逆运动学求解。利用Pro/E软件建立搬运助力外骨骼的三维实体装配模型,并将其导入ADAMS中构建虚拟样机模型进行运动学仿真。仿真结果表明,下肢外骨骼能够满足人体运动,符合人体行走特征,上肢外骨骼符合人体搬运托举物体的特征。     

下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析

采用电机驱动方式,设计一种用于辅助行走和康复训练的人体下肢外骨骼康复装置.将下肢外骨骼简化为矢状面内的五杆机构,建立相应的D-H(Denavit-Hartenberg)模型,推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程.在ADAMS环境下,对下肢外骨骼进行运动学仿真分析,所得到的髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线表明:下肢外骨骼各关节在空间中具有连续的运动轨迹.     

一种踝关节行走助力外骨骼的设计

设计了一种可穿戴的踝关节外骨骼.在跖屈驱动相,外骨骼帮助抬升脚后跟,增加蹬地力量,实现行走助力.外骨骼由电机提供转矩,经滚珠丝杆减速,输出直线运动.结构设计的带宽为9 Hz,满足正常行走的频率要求.外骨骼控制由转矩环、阻抗环和位置环3个底层控制环构成;单个步态周期中,由一个有限状态控制器来管理底层控制环的运行和切换.在传动装置设计中,使用了串联弹性驱动器技术,使得外骨骼具有反向可驱动性.控制实验表明:人为反向推动外骨骼,电机可以快速回退做出响应.     

穿戴式外骨骼康复辅具临床应用现状分析

 穿戴式外骨骼康复辅具是一种可穿戴于人体上的智能化生机电控制系统,该系统通过外骨骼与人体肢体间力-位移的交互实现人机动作的耦合,可辅助人体实现某些特定功能,在临床康复治疗领域具有重要应用前景。上肢外骨骼和下肢外骨骼是目前常见的穿戴式外骨骼。上肢外骨骼包括肩肘手臂外骨骼和手指外骨骼,在康复训练中主要应用于中风后患者肩肘关节及腕手关节运动功能的康复训练。下肢外骨骼能够辅助下肢麻痹患者完成站立及运动,在下肢运动功能的康复治疗方面具有巨大的应用潜力。本文综述了目前常见的穿戴式外骨骼康复辅具的特点及其临床应用现状,并总结了目前国内外可穿戴外骨骼的研究进展。     

钢铁侠外骨骼:赋予超人般的力量,可用于外星探险

正借助尖端科技,未来的宇航员或许将拥有额外的超强能力,就像真实版"钢铁侠"。目前,美国宇航局正在研发"X1机械外骨骼系统",这将赋予宇航员一种超人般的力量,从而使他们在执行远赴火星考察的长期任务中得心应手,或者帮助他们开展太空锻炼。这种重量约26公斤的X1外骨骼装置固定于宇航员的腿上,另外还有挽具固定在人体的背部和肩部。系统在臀部和膝盖部位拥有关节传动装置,另外还有6个被动关节,这种灵活的结构让穿着者的关节可以弯曲、伸展或者侧向行走。     

人人都能当钢铁侠——可穿戴的机械衣

不管是打造更快更强的战士,还是实现残疾人站立行走的梦想,机械外骨骼都是未来世界的福音。     

人人都能当钢铁侠——可穿戴的机械衣

不管是打造更快更强的战士,还是实现残疾人站立行走的梦想,机械外骨骼都是未来世界的福音。     

基于肌电控制的辅助型机器人外骨骼

针对臂丛神经损伤患者上肢功能部分或完全丧失的问题,本文设计了一款基于肌电控制的辅助型机器人外骨骼。该外骨骼具有2个自由度,受试者穿戴上之后能完成5个上肢动作。采用腱鞘驱动方式设计外骨骼结构,减轻受试者上肢使用负担。通过提取受试者健侧手臂产生的肌电信号,使用基于贝叶斯决策的线性判别分析方法解码受试者运动意图,实现利用健侧上肢运动带动患侧运动的目的。而本研究最终目标则是通过解码患侧肌电信号控制患侧上肢运动,实现受试者在不需要任何帮助的前提下重建患侧上肢运动功能。系统对肌电信号的处理、识别均为在线进行,整个过程耗时约57 ms,完全符合外骨骼使用过程中的延时要求。对4名健康受试者进行实验,结果表明5类动作的平均在线识别率均达到95%以上,且受试者能够顺畅使用所设计外骨骼系统。     

单兵外骨骼结构与运动分析

单兵外骨骼是一种通过穿戴在士兵身上,提高人体负荷和速度,含有动力源的机械装置.由于可以携带更多的重物,并辅助加快运动速度,因此在现代战争中,如长距离行走、运送给养、防护等方面,应用前景巨大,能有效提高士兵生存几卒和作战效率.本文通过分析机械外骨骼技术的结构和运动,探讨特该技术应用于现代单兵装备的理论基础.     

最新电池动力外骨骼仿生系统，可助人自由行走

美国伯克利一家仿生技术公司近日研制出一种由电池提供动力的外骨骼系统，这种外骨骼系统可以帮助截瘫患者摆脱轮椅，自由行走。     

上肢外骨骼机器人结构设计与运动学分析

上肢外骨骼机器人是近些年新兴的研究领域,国内在这方面的研究尚属于起步阶段,而上肢外骨骼机器人中能够有效满足上肢运动辅助需求的机器人较少,且对安全性考虑较少。针对此现状,深入探讨了运动辅助对于上肢运动功能恢复的理论依据,并依此总结设计了满足该功能的上肢外骨骼机器人的要求,然后依据该要求,以安全性为基本出发点,初步设计了一种外骨骼上肢康复机器人。针对设计出的上肢外骨骼机器人机构,采用四参数法对其进行运动分析,求出了该机器人的正、逆解,并运用拉格朗日方程法对其进行动力学分析,建立其动力学方程,为之后的控制算法研究做好准备。     

一种7自由度外骨骼上肢康复机器人设计与控制研究

针对外骨骼上肢康复机器人自由度受限的问题,根据上肢关节运动机理对上肢结构进行模型简化,提出一种改进的7自由度外骨骼上肢康复机器人结构设计,并对运动支撑的各部分单元进行结构建模和分析,根据安全人机工程学进行了康复运动系统的电气设计与控制研究.研究结果表明,该7自由度外骨骼上肢康复机器人在结构设计上更加符合人因工学,控制机制优化,安全性能良好,为实现后期的实时控制与运动规划奠定了基础.     

一种新型气压式行走助力拐杖①

针对行动不便的人群在走路和上下楼抬腿不方便的问题,设计了一种新型气压式行走助力拐杖,该拐杖不仅具有新型的支撑形式,而且在稳固腰膝的同时增加了气压助力结构。行走过程中,气压缸在脚向下压的过程储能,在抬脚的时候自动释放,拐杖在支撑身体的同时,实现了辅助抬脚的功能,使老年人或行动不便的人能快速稳定的上下楼梯和行走。     

单作用缸驱动的负重外骨骼容积调速液压动力单元分析

负重外骨骼动力单元为外骨骼工作提供动力,要求响应迅速,工作稳定,是整个外骨骼系统长时间稳定可靠工作的关键部分。设计了一种单作用缸驱动的负重外骨骼容积调速液压动力单元,结合人体走行步态对液压动力单元的作用机理进行了分析。为研究负重外骨骼单作用缸的负载组成,建立了负重外骨骼走行过程中支撑态时的动力学方程,为负重外骨骼油缸负载的加载提供了理论依据。为了准确模拟负重外骨骼油缸负载,使仿真结果更加可靠,在ADAMS建立负重外骨骼单腿模型,在AMEsim建立动力单元液压系统模型,通过AMEsim与ADAMS联合仿真对该液压动力单元进行了理论分析,结果表明设计的容积调速液压动力单元响应快,单作用缸运动稳定,能满足外骨骼的使用需求。     

在摆动相中用于下肢外骨骼跟踪人体踝关节轨迹的方法

为实现外骨骼摆动腿踝关节对人体踝关节运动轨迹的跟踪,建立了外骨骼摆动腿逆运动学模型与卡尔曼滤波预测模型,并在外骨骼摆动腿踝关节处设置人机位姿误差传感器,同时进行了人体步态实验.仿真中以实验测取的人体踝关节相对于其髋关节的运动轨迹作为外骨骼踝关节的跟踪对象,并依此计算外骨骼踝关节处人机位姿误差.采用卡尔曼滤波器对外骨骼摆动腿的髋、膝关节位置进行预测,再利用外骨骼逆运动学模型对预测结果进行校正.结果表明:该方法能良好地实现外骨骼摆动腿踝关节对人体踝关节的运动轨迹跟踪,并且卡尔曼滤波预测能明显改善跟踪的滞后性,同时仅需检测外骨骼踝关节处的人机位姿误差也有助于简化人机之间的传感器布置.     

基于欠驱动并联索机构的肩关节助力外骨骼

并联索驱动助力外骨骼具有与人体兼容性好、运动范围大、自由度多等优点,但往往需要多个电机驱动多根绳索,增大了驱动结构的重量和能耗.以往的设计中无法实现在减少电机个数的同时实现多绳索的力控与多自由度的助力.该文提出一种基于欠驱动并联索机构的肩关节助力外骨骼,采用凸轮和弹簧来实现搬运工作时肩关节的三自由度助力.根据给定的手臂...     

基于阻抗的下肢康复外骨骼力与位置控制研究

为了提升下肢功能损伤患者舒适性和康复效果,弥补常规位置控制的不足,研究了一种基于力与位置阻抗控制的下肢康复外骨骼。利用气体的柔顺性和安全性,采用气动比例技术,以标准步态曲线为参考,以人机交互力矩为约束,实时控制。建立人机动力学模型,搭建实验平台,实现机构仿人步态行走。实验表明,该系统控制效果好,跟踪精度高。人机交互力矩得到有效调整,进一步提升系统安全性、舒适性和稳定性。