人体下肢运动协调模型

人体在行走、奔跑等运动时,在运动神经中枢的支配下,下肢运动存在一定的协调关系.这种协调性是生物进化和后天学习的结果,它使人体运动更加灵活、高效.研究健康人体的下肢运动协调性对于中风病人的康复治疗、足式机器人的步态规划、外骨骼机器人等助力设备的人机协同控制等领域具有重要意义.目前人体下肢协调性的研究仍比较初级,多停留在现...     

下肢外骨骼人机互连装置对关节内力的影响

下肢外骨骼能够帮助截瘫患者、偏瘫患者重获行走能力,但由于生理原因和装配原因,外骨骼关节与人体关节的转轴无法重合,导致人机间出现不良的交互力,进而会影响人体的关节、软组织内力。传统下肢外骨骼的人机互连装置无法解决人机关节转轴不重合带来的问题,该文设计了一种基于滑块导轨机构、可自适应补偿人机关节转轴偏差的新型下肢外骨骼人机互连装置,并分别对人体穿戴配备有本装置和传统装置的下肢外骨骼行走时摆动一侧人体下肢进行了静力学分析。计算结果表明:相比传统装置,新型装置能使人体关节内力更为平稳,并且可减小人体髋关节的内力:当人机关节转轴在矢状面内出现竖直偏差时,内力平均可减少2.45%;当人机关节转轴在矢状面内出现水平偏差时,内力平均可减少11.23%。该装置也可影响人体膝关节的内力,当人机关节转轴在矢状面内出现竖直偏差时,内力平均可减少13.68%;当人机转轴在矢状面内出现水平偏差时,内力反而平均增大23.48%。本文初步验证了该装置的可行性,它对降低人体髋关节和膝关节软骨、软组织处的磨损均有积极意义,从而可以改善使用者的外骨骼穿戴体验。     

负重型下肢外骨骼机器人机构研究与仿真

设计兼顾人体运动灵活性与有效承载能力的下肢外骨骼机械结构,是负重型下肢外骨骼改善人机协同性、提高承载能力的关键技术之一。针对华东理工大学设计的外骨骼机器人"ELEbot"的结构进行研究并仿真。这种结构能够根据穿戴者步态的变化,引起自身结构的变化,进而改变下肢外骨骼的空间力闭环,使外骨骼满足不同步态下的功能特性。通过Matlab中的simmechanics模块对建立的模型进行仿真分析,得到人体下肢末端的运动空间,并与正常人体的运动空间比较,得出两者匹配的结论,验证了该结构的可行性。     

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.     

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。     

下肢外骨骼康复机器人人机交互力自适应导纳控制

对于下肢具有残余肌力的下肢瘫痪病人,基于标准步态轨迹被动训练的康复方案无法满足锻炼肌肉的康复训练需求,为此提出了一种人机交互力自适应控制的下肢外骨骼康复机器人控制策略,并设计了可实现康复训练的控制方法。该方法以健康人体行走步态为下肢外骨骼康复机器人的位置控制参考,以穿戴者的自身腿部用力作为力控制约束,根据穿戴者自身腿部力量大小,智能控制和调整步态曲线,以更加适应穿戴者的康复训练需求。仿真试验结果表明,相对于完全被动的康复训练模式,自适应力控制模式能够有效地调整康复过程中人机交互力,可以适应多种不同的康复训练需求,从而大大提高受损患肢运动功能恢复的康复治疗进程,具有实际的应用价值。     

下肢外骨骼机器人在运动康复中的协同性研究

运动员在日常训练或在比赛中出现的损伤给运动员造成了巨大的痛苦.文章研究一种可以帮助受伤运动员进行康复训练的下肢外骨骼机器人,首先,分析人体的运动过程,然后通过大量不同人体尺寸下的步态数据分析,掌握人体步行各个循环阶段下肢各关节的运动学规律,并对下肢外骨骼机器人用拉格朗日法建立了动力学模型.其次,根据建立的动力学模型和下肢外骨骼机器人的特性设计了一种基于鲁棒自适应PD控制的控制系统,并对其进行仿真,证明设计模型的可行性.     

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。     

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。     

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。     

基于迭代学习控制算法的下肢外骨骼机器人跟随特性

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,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。     

人体步态分析与负重外骨骼机器人的动力学仿真

分析和识别穿戴者的步态信息,指导负重外骨骼机器人的机械结构设计,使其能够和穿戴者协调同步行走。设计仿人体下肢生物平台,利用传感器系统实时反馈人的步态数据,设计与建立步态数据库,在ADAMS中建立三维离线式仿真系统,结合步态的运动学数据,进行动力学分析,为机械结构的设计和驱动单元的选型提供了理论依据和数据支持。通过负重外骨骼机器人的穿戴测试,表明机械结构设计合理,可以真实反映关节转矩的变化。     

下肢外骨骼机器人的控制仿真研究

下肢外骨骼机器人是一种复杂的非线性系统,有效控制策略对于人机系统运动的协调一致性至关重要.本文基于外骨骼机器人的动力学分析,提出了下肢外骨骼机器人的控制系统设计,采用模糊PID控制算法,结合ADAMS和MATLAB/Simulink软件,分别以角度误差和关节力矩作为系统输入输出量,对下肢外骨骼机器人的动力学与控制进行联合仿真.仿真结果验证了所提控制算法的有效性,为保证人体与机器人之间的运动协调性和一致性的良好控制提供了理论依据.     

基于DSP的助行外骨骼机器人步态控制

助行外骨骼机器人是一种帮助老年人和下肢不便的残疾人扩展行走能力的助力装置.提出一种基于数字信号处理（digital signal processing,DSP）系统的步态控制方法,首先,将连续步态数据离散处理后的结果作为DSP系统的输入,通过执行机构实现机器人的步态行走;然后,在每个步态周期结束之后,通过编码器对步态角度实时采样;最后,控制系统对反馈数据处理后实现步态误差的周期补偿.通过样机试验验证上述方法,得到较好的结果.     

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.     

不同路况对人体下肢肌肉特征参数的影响

提高医疗康复辅具的智能化水平能够明显改善老年人等弱势群体的运动步态及肢体运动能力,以及增强他们的自理能力、社会参与能力.因此,有效地获取人体在不同运动模式下的步态信息并将其应用在智能动作辅助系统控制系统的设计上是目前需要解决的重要问题.肌电信号能够很好地反映人体在运动时的肌肉活动状态和功能状态,本文针对不同路况下人体下肢肌肉的表面肌电信号进行一系列实验研究.通过比较人体下肢主要肌肉群的特征参数,得出人体下肢存在优势侧和非优势侧的结论,且不同路况下的这种差别是不同的.此外,本研究还通过分析不同路况下行走时人体下肢4组主要肌肉群(股内侧肌(VMO)、胫骨前肌(TIB)、半腱肌(SEM)和腓肠内肌(MED))的特征参数变化,得知双下肢的肌肉特征参数随路况的变化而变化的具体参数特点.本研究揭示了在不同路况下行走时人体下肢主要肌群的活动状态和变化特征,可为有行走功能障碍的患者及老年人的医疗诊断、康复训练及康复评定提供依据,同时也为双足机器人/智能助行器的优化设计奠定了基础.     

基于人机系统运动仿真的数字人步态规划方法

穿戴下肢外骨骼的数字人在虚拟人机系统运动仿真中应具有稳定自然的步态,因此需要研究步态规划方法。分别应用动力学模型方法和被动动力学方法进行了数字人的步态规划,并基于Matlab/Adams完成了协同仿真试验。试验结果表明,在人机耦合系统运动仿真中,两种步态规划方法都具有可行性,前者具有较高的步态稳定性,而后者具有更高效和自然的步态特点。     

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。     

一种外骨骼式康复机器人训练效果仿真

针对外骨骼式下肢康复机器人训练有效性的问题,开展了基于人体生物力学软件Any Body的康复训练仿真实验研究.通过人体动作捕捉实验,获取一成年男子在正常步行时的运动学信息,利用Any Body建立人体步行模型,并以下肢肌肉受力情况为依据确定下肢主要肌肉群.建立人-机系统模型,借助Hill方程,以人体下肢肌肉收缩速率作为判断标准,通过模拟实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人的康复运动,获取下肢主要肌肉的收缩速率变化情况,并将其与正常步行时的肌肉收缩速率进行比较与分析.结果表明,两种情况下大腿肌肉群的收缩速率变化情况基本一致,小腿与髋部肌肉群差异较明显.改进外骨骼结构,使其能够同时实现在冠状面内的运动,比较在两种结构下的下肢主要肌肉收缩速率变化情况,结果表明髋部肌肉产生了较为明显的波动.因此,能实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人能够有效训练大腿肌肉群,但对小腿与髋部肌肉的训练效果不明显,加入冠状面运动后,能提高对髋部肌肉的训练效果.     

基于卡尔曼预测的外骨骼摆动腿随动控制研究

针对一种双关节驱动助力外骨骼机器人中人机交互系统所获取的传感器信息滞后于人体运动意图,从而造成执行机构无法及时跟踪摆动腿的运动,导致无法提供助力的情况,运用卡尔曼滤波算法对采集到的下肢运动信息进行运动意图预测,以弥补延时。利用采集的步态周期数据进行控制仿真实验:依据下肢外骨骼单侧腿简化的二连杆动力学模型,将预测信号输入模型,并采用PD控制验证系统稳定性和预测准确度。仿真结果表明,利用该方法可以对人体运动意图进行有效的预测,可用于驱动外骨骼摆动腿进行随动控制。