正常青年人行走步态的实验研究

以VICON步态分析系统对5名年龄身高体重均相近的正常青年人的常速行走步态进行了实验研究.得到了青年人常速行走步态的基本参数,给出了关节角度的统计曲线,并对单支撑期内各关节角度进行了分析.比较了左右两侧关节角度的差异.结果表明,正常行走左右两侧关节角度存在着差异,以左右侧关节角度差异度结合时相对称性指标可以更合理地评价步态的对称性.单支撑期内关节角度范围为假肢设计及正常人步态的模拟提供了参考.     

混合驱动踝足假肢阻抗控制方法

本文建立并分析了一种主被动混合驱动踝足假肢动力学模型,提出了一种基于步态有限状态机阻抗规划和前馈补偿力内环的实时阻抗控制算法。为了检验该控制方法的有效性,建立了假肢的多体动力学模型和阻抗控制器模型,并进行了联合仿真研究。研究结果表明,该算法能够有效地控制动力踝足假肢关节完成平地步行,并实现步态中的关节变阻抗行为。该控制算法改善了主被动混合驱动踝足假肢控制的可控性,提高了关节阻抗的控制性能。     

混合驱动踝足假肢阻抗控制方法简

本文建立并分析了一种主被动混合驱动踝足假肢动力学模型,提出了一种基于步态有限状态机阻抗规划和前馈补偿力内环的实时阻抗控制算法。为了检验该控制方法的有效性,建立了假肢的多体动力学模型和阻抗控制器模型,并进行了联合仿真研究。研究结果表明,该算法能够有效地控制动力踝足假肢关节完成平地步行,并实现步态中的关节变阻抗行为。该控制算法改善了主被动混合驱动踝足假肢控制的可控性,提高了关节阻抗的控制性能。     

对线对小腿截肢患者残侧下肢生物力学特性的影响

为定量研究假肢对线对小腿截肢患者行走过程中残侧下肢生物力学特性的综合影响,建立了考虑对线设置的三维刚体动力学模型,并结合步态实验,得到膝关节力矩、步态时相对称性和残端界面压力等参数。结果表明:异常对线主要影响残侧膝关节力矩和步态时相对称性,对残端压力影响较小;腿管近端适配器的调整在对线设置中的作用较远端适配器明显;由于患者的自身调节作用,假肢正常对线要实现患者下肢生物力学性能的总体最优而非单项最优。     

对线对小腿截肢患者残侧下肢生物力学特性的影响

为定量研究假肢对线对小腿截肢患者行走过程中残侧下肢生物力学特性的综合影响,建立了考虑对线设置的三维刚体动力学模型,并结合步态实验,得到了膝关节力矩、步态时相对称性和残端界面压力等参数。结果表明:异常对线主要影响残侧膝关节力矩和步态时相对称性,对残端压力影响较小;腿管近端适配器的调整在对线设置中的作用较远端适配器明显;因为患者的自身调节作用,假肢正常对线要实现患者下肢生物力学性能的总体最优而非单项最优。     

带有磁流变阻尼器J型假肢阻尼特性分析

为缓解假肢佩戴者在运动过程中产生的冲击力,建立可压缩的倒立摆模型的运动微分方程,对磁流变阻尼器的粘滞性阻尼系数进行理论计算,并对三种不同运动状态下装有磁流变阻尼器和装有软硅橡胶的J型假肢进行模拟仿真,得到磁流变阻尼器在运动过程中的缓冲减振效果要比软硅橡胶更好,可为阻尼缓冲型运动假肢的研制提供参考.     

人体下肢表面肌电信号的检测与分析

人体步行时下肢肌电信号 (EMG)活跃 ,为研究步态周期内 EMG随路况的变化趋势 ,采用了下肢表面 EMG8通道检测装置进行了实验 ,对多人在 6种路况 (或步速 )下行走时的下肢 EMG进行了检测和分析。实验结果表明 ,步行时下肢肌肉活动有一定的规律性 ;各路况信号开始及持续时间、信号绝对值平均、中频等特征值区分明显 ,可以将其应用于智能肌电控制假肢路况模式辨识     

基于深度图像的人体关节定位与步态分析

根据面向家庭的健康状况评估的需要,结合Kinect深度图像的特点,提出一种无标记点的下肢关节定位和步态分析方法.首先利用分层处理ViBe算法提取人体目标,然后在多关节骨架模型基础上,采用自适应阈值法来区分侧面人体的前后腿,根据相邻样本差值分别判断膝关节与踝关节有无遮挡现象,再利用比例扩大法和边缘定位法实现下肢各关节定位.最后对获取的关节动态数据进行分析获取步态参数.通过与手工标记点方法的步态分析进行比较实验,表明该算法的人体关节定位的准确度能够较好地满足步态分析的需要.     

基于差分进化算法下肢康复机构的优化设计

文章针对基于运动轨迹的单自由度下肢康复机器人存在的足部踏板速度突变问题，提出一种平面连杆机构尺度综合的优化方法。对下肢康复机构进行运动学分析，建立正逆解的数学模型，构建机构的凸轮曲线与足部轨迹的运动学关系；采用差分进化算法对下肢康复机构进行尺度综合分析，通过构造优化目标函数优化模型中的各参数，得到一组机构参数的最优解。优化结果表明，采用差分进化算法优化后，可以降低下肢康复机构足部踏板的速度突变，提高装置的稳定性，同时保证足部步态轨迹与正常步态轨迹基本重合。研究结果表明，该优化方法可以为下肢偏瘫患者提供科学的康复训练轨迹，有助于其康复训练。最后，文章提出一种基于层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)的下肢功能康复评估指标体系，并建立一种以综合指标为基础的评估方法，该指标能够真实地反映患者在康复过程中的训练效率，使康复训练方式的选择更加科学、高效，更好地满足患者的康复需求。     

假肢膝关节磁流变阻尼器的多目标优化设计与分析

为解决目前应用于假肢膝关节的磁流变阻尼器(magnetorheological damper,MRD)存在的问题,通过建立假肢膝关节磁流变阻尼器结构参数与优化目标之间的关系模型;以磁流变阻尼器的低功耗化及轻量化为优化目标,采用多目标遗传算法对其关键几何尺寸进行优化,分析各参数对优化目标的影响,并得出最优化的解。研究结果表明:优化过后的假肢膝关节磁流变阻尼器的体积及功耗分别减小了21%和36%,同时其输出阻尼力并没有受到影响;阻尼器的功耗优化与体积优化之间存在相互制衡关系,因此在寻求最优解时,应考虑实际情况的需要,选择最为合理的参数。     

异构双腿机器人仿生腿的设计与控制实现

提出具有可变瞬时转动中心的多轴膝关节,由多轴4联杆机构组成,具有仿生相似性·建立仿生腿的动力学方程,通过求解逆动力学问题的方法,得出最优步态下的膝关节控制力矩·通过传感器获得步态信息,从计算机中选择与该步态模式相应的力矩控制程序,每种步态模式由学习系统产生·选用磁流变阻尼器(MRDamper)组成的仿生腿反应迅速,动作灵活,与人工腿的步态更对称、更协调·     

基于最小二乘法的步态机器人运动轨迹辨识

运动轨迹辨识是机器人研究领域中的一个热点问题,运用最小二乘法对步态机器人的运动轨迹进行研究.测量并计算了人体步态特征参数;在此基础上,通过曲线拟合的方法,为下肢各个关节部位建立相对应的数学模型,得到了步态机器人运动轨迹的整体数学模型;最后,利用得到的数学模型表达式验证了文中所提研究方法的可行性与有效性.     

异构双腿机器人步态规划与控制实现

为了给智能仿生腿的开发提供一个理想的研究平台,提出了异构双腿行走机器人(BRHL)这一全新的类人机器人模式.首先阐述了BRHL的概念及研究意义,然后基于分割建模思想给出了BRHL的协调动力学模型.提出了修正的Sigmoid磁流变阻尼器建模方法并进行了实验建模.详细阐述了基于步态跟随的BRHL步态规划方法并进行了仿真.最后给出了BRHL的控制系统设计,利用Pro/E,ADAMS及MATLAB/Simulink对BRHL进行了虚拟样机联合控制仿真.仿真结果表明,基于MR阻尼器控制的仿生腿能够很好地实现对人工腿的步态跟随.     

基于迭代学习控制算法的下肢外骨骼机器人跟随特性研究

目前下肢外骨骼机器人存在的运动控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹时存在误差,从而导致人机系统随动性能差。因此,本文提出迭代学习控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹。首先,结合人体下肢结构分析,建立下肢外骨骼机器人动力学模型;其次,基于迭代学习控制算法建立下肢外骨骼机器人随动控制模型;最后,利用Matlab软件设计指数变增益闭环D型运动控制系统,分析收敛速度与谱半径的关系,追踪得到人体下肢髋关节和膝关节期望轨迹。仿真结果表明该算法能够有效提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪精度,提升人机系统随动性能。     

Influence of Prosthetic Sagittal Alignment on Trans-Tibial Amputee Gait and Compensating Pattern:A Case Study

This study relates the gait asymmetry, residual limb comfort, and energy cost during walking and identifies a compensating pattern for the trans-tibial amputees when the prostheses are misaligned. One male subject with a trans-tibial amputation volunteered for the study. The knee joint moments at the prosthetic side, the phase symmetry index, and the interface pressures were discussed under three sagittal alignment settings. The results show that the subject changes the knee joint moment, gait symmetry, and interface pressure with a misaligned prosthesis to improve his comfort and movement during walking. A high-quality liner reduces the gait sensitivity to misalignment and enhances the amputee＇s ability to compensate for misalignment. Since different people have different compensation patterns, more cases will be studied in future work.     

磁场有限元在估计磁流变阻尼器性能中的应用

作为一种半主动控制器件,磁流变阻尼器已经被越来越广泛的应用于各种振动抑制场合.然而,磁流变阻尼器的设计方法在很大程度上依赖于设计人员的工程经验,而无法在事先对其性能进行较为准确的模拟计算.利用有限元方法,对特定结构形式的磁流变阻尼器进行磁场分析,结合磁流变液在阻尼器中的Couette流动分析,模拟计算了磁流变阻尼器由于屈服效应和粘性流动而产生的剪切力,得到了阻尼器的动力学曲线,与试验结果吻合良好.结果表明该方法适用于类似结构形式磁流变阻尼器的性能估计,可以为设计具有适当力值的磁流变阻尼器提供有效手段.     

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.     

小型双足机器人直行步态的并行规划策略研究

根据人体结构设计了小型舵机驱动双足机器人,采用D-H方法建立其位姿数学模型,利用5次多项式插值的方法规划出踝关节和髋关节的位置-时间函数,对髋关节踝关节轨迹进行代数解析得到每个关节的转角-时间函数.提出双足机器人直行步态并行规划策略,即将关节转角-时间函数分别导入ADAMS虚拟样机和实际物理样机,虚拟样机和物理样机同时测试规划的步态数据.通过实验验证,并行规划策略可以并行比较运动仿真直行步态和物理样机直线行走状态.     

电流变液智能下肢假肢摆动相控制原理与方法

建立了膝上假肢—残端系统的动力学方程,用解逆动力学问题的方法得出实现最佳步态所需的膝关节控制力矩。为实现对膝力矩的控制,研制了应用新型智能材料—电流变液的阻尼器及相应的微型数控高压电源。通过对步行速度的测量可以启动存储于单片机中相应的力矩模式,从而实现跟踪步行速度的膝力矩自动控制。与步速相适应的膝力矩模式是通过使假肢侧学习健侧步态的学习系统获得的。实验表明这种控制方法是有效的。