减重站起康复训练系统机械结构设计与优化

基于人体工程学设计并优化了一种多功能坐站运动辅助与康复运动训练机器结构,可使患者按照对标健康人体站起运动轨迹进行减重式康复运动训练。重点设计了下肢矫助外骨骼结构和顶端哑铃形螺旋绕线轮,对整体机械结构及主要零部件进行了力学分析和尺寸优化。可使存在下肢运动功能障碍的使用者不仅可获得坐站运动辅助,而且可以使下肢肌群完全按照对标健康人体站起时肌肉正确施力规划进行康复训练,避免产生因站起姿势扭曲导致的肌肉畸态施力,从而获得安全、健康的康复运动训练效果。     

基于Hyperworks的下肢康复训练系统机械结构设计与优化

设计了符合正常人体自然站起时重心轨迹变化的新型智能站起运动康复训练系统的机械结构,对其有限元模型进行了力学分析,并应用Hyperworks软件对其进行尺寸优化,进而在此基础上对其进行改进与优化设计。结果表明:本文给出的机械结构既满足系统需要的力学设计要求,又具有加工安装简单、包装运输方便、重量轻、成本低和安全可靠的特点,易于产品化推广。     

基于体外传感检测的人体站起动力学分析

基于人体站起运动三肢段动力学模型,采用自制力传感平台与定制的加速度和角速度传感器,开发了一套非侵入式人体运动传感检测系统,并与实验室光学运动采集系统进行了比对验证;基于所检测的信号计算了下肢各关节力矩,分析了人体站起动力学参数特征。本传感分析系统通过穿戴式体外检测,无需解剖学植入传感器,相较于实验室人体动力学检测和分析方法,传感器数量和种类都有所减少,降低了成本。通过比较分析所开发系统与作为参照的实验室光学检测系统的实验数据,验证了本文检测系统的精度和有效性,可用于人体站起康复运动训练检测和评估系统,进而可用于外骨骼康复训练机器人的控制。     

基于下肢动力学检测分析的站起康复训练机器人控制

提出了人体站起轨迹控制方法(TCM)和阻尼控制方法(ICM)。采用这两种控制方法可以实现对机器人系统的控制,使患者能安全、有效地进行下肢站起运动康复训练。在患者站起过程中,下肢各肢段旋转角、身体运动轨迹、地面反力(GRF)、压力中心(COP)和绳索张力等参数可由康复机器人系统中的相应传感器实时检测得出,并通过实时运算得出髋、膝、踝各关节力矩,用于反馈控制。试验结果表明,该方法可以保证患者实现安全、舒适、有效的站起训练,适用于站起康复训练机器人控制系统。     

论人体的机械原理(仿生机构)

本文从生物力学和机械仿生的角度分析和论述了人体的关节、手臂、手指、下肢和膝关节等各部分的构造、力学特点、运动机能,并建立了模型。还分析了人体在运动过程中的平衡条件和重心位置的问题。     

下肢康复机器人机械结构设计及动力学仿真

为推动康复机器人发展,提高下肢康复训练水平,设计了一种新型下肢训练康复机器人的机械结构.设计采用新型全向移动平台机构,实现了平面内任意方向的运动,并且可以在移动过程中实现任意半径转弯.从运动学角度分析了轮速与机器人轨迹间的数学关系,并采用虚拟样机技术结合Pro/E与Adams联合建模仿真的方法,建立了精确可靠的虚拟样机模型.实验仿真结果表明,设计的虚拟样机模型与数学模型具有一致性,验证了该下肢康复机器人机械结构的实际可行性,为物理样机的建立提供了可靠依据.     

多功能坐站辅助型如厕轮椅机械结构设计与优化

设计了多功能坐站辅助型如厕轮椅机械结构。通过变杆长及变杆位的线性联动设计,使系统内外支撑杆对座位托举上升实现人体站起和迎候式辅助人体坐下的功能;加设扶手装置实现准确控制外支杆定点纵向位移,使机构在运行过程中辅助患者拟合对标健康人体正常站起轨迹进行坐下和站起的效果。对标健康人体的站、坐运动轨迹在Matlab软件中经归一标准化处理后得出。通过软件进行结构仿真模拟表明,该结构能够完成根据对标健康人体坐站运动轨迹进行运动康复辅助的效果。加设坐便圈及移动轮后可实现如厕动作辅助或轮椅移动功能。通过有限元软件,以质量最小为目标,设置约束条件,在保证机械结构力学性能的前提下极大降低了耗材质量。     

仿生运动康复机器人结构设计与优化

为了给人体提供运动康复辅助和训练功能,设计了张合型下肢仿生运动康复机器人。通过前、后轮之间的差速,实现机器人鞍座可按照对标健康人体运动过程中髋关节运动轨迹进行运动,并且机械结构可从站姿张合状态调整为坐姿轮椅状态。分析了机械结构的静、动态平衡条件并做了有限元分析,以杆件壁厚值为变量,以所选材料最大许用应力、最大位移为边界条件,以最小质量为目标函数,得到了一款轻量化的张合型仿生运动康复机器人的机械结构。     

4自由度上肢康复机器人结构设计与仿真分析

设计了一种4自由度外骨骼康复训练机器人,改善了当前康复机器人运动关节单一、康复训练空间有限的缺陷。参照人体上肢尺寸标准,应用SolidWorks绘制了机器人三维模型,根据DH法对机器人建立正向运动学模型,通过Matlab验证了模型的正确性。通过Adams对模型进行运动学仿真,验证了结构在不发生干涉的条件下能够实现多关节复合康复训练运动。同时对机器人工作空间进行仿真分析,验证了机器人工作空间与人体上肢的日常活动空间是相匹配的,能够满足患者上肢康复训练的要求,应用Matlab对抬臂屈肘康复运动进行轨迹规划,验证了整个康复运动平稳合理。     

外骨骼下肢运动步态的仿真研究

针对下肢运动障碍患者的康复要求和人体下肢行走时的步态规律,本文基于Pro/Engineer软件,对外骨骼的关节进行结构设计。分析了人体下肢的生理结构及运动步态,重点分析了步态周期内骨盆的运动规律,建立外骨骼简易三维模型,为验证此设计的可行性,采用Pro/Engineer软件进行仿真实验。仿真结果表明,外骨骼带动人体骨骼正常行走,而且各个关节的运动轨迹与正常人行走轨迹相近,说明对外骨骼关节的设计是可行的,能够满足患者的康复要求。该研究具有较高的实际应用价值。     

下肢康复机器人模糊主从控制方法

针对偏瘫患者的康复训练问题,本文研究了一种通过患者自身健康上肢来控制对侧受损下肢的康复训练方法。利用FAB系统测量了正常行走状态下人体上肢的肩、肘关节转角和下肢的髋、膝关节转角,对测量数据进行处理后获得人体上、下肢的步态运动轨迹。将步态测量获得的平均曲线作为基准曲线,对其进行包络分析获得参考曲线。在此基础上定义输入、输出变量的模糊集合和模糊逻辑,采用模糊化方法建立上肢运动与下肢运动之间的主从映射关系。选取上肢肩、肘关节转角的部分测量数据作为输入变量,基于Matlab进行仿真验证,通过解模糊化运算获得下肢髋、膝关节转角的输出值。将仿真验证获得的下肢髋、膝关节转角的输出值与下肢运动关节转角的原始测量值进行比对,输出信号能很好地反映下肢的运动趋势,初步验证了本文所建立的上、下肢运动之间模糊主从控制方法的可行性。     

用于检测下肢关节运动信息的外骨骼机构设计及运动学分析

对人体下肢关节的运动属性、直立行走的步态特征及人-机之间关节运动属性差异对人-机相容性的影响进行了分析,根据下肢康复训练的功能需求并通过在人-机联接环节增置连接关节,提出一种用于检测人体下肢髋、膝关节运动信息的外骨骼机构.建立了外骨骼机构关节运动与人体下肢关节运动之间的映射关系,并对人-机组成的封闭运动链进行了运动仿真分析.分析表明:外骨骼机构的关节运动与人体下肢髋、膝关节运动之间具有确定的量化联系,通过安置于外骨骼机构关节处的传感器能检测人体直立行走时的下肢关节运动信息.     

基于摆动腿模型的足底压力形成机理研究

足底压力可揭示人体在不同状态下的步态运动特性和动力特性,能反应人体的某些运动机能.本文通过建立下肢摆动腿模型,分析步态运动状态下足底压力的形成机理以及步态速度对足底压力带来的影响,为足底压力的应用提供了更充分的理论依据.通过分析运动过程中足底压力的受力情况并进行合理假设,得到下肢摆动腿的简化模型,从而得到步态运动状态下步态速度对足底压力的影响.取步态速度为变量,使用下肢摆动腿简化模型对足底压力受力情况进行仿真实验,并与实际实验进行对比.对比实验证明步态速度与足底压力关系模型与实际相符.     

基于MATLAB的人体膝关节运动捕捉测量与分析

采用MATLAB软件对人体膝关节的运动进行分析处理。首先,编写程序处理运动捕捉测量的人体下肢标记点坐标数据,并进行插值修补;其次,根据所得到的人体下肢运动过程骨性标记点的坐标数据,利用骨性标记点建立人体股骨和胫骨局部坐标系;最后,通过坐标变换,计算人体下肢运动中膝关节股胫关节的屈曲伸展、内收外展和内外旋。对健康志愿者的下蹲和上楼梯动作进行运动捕捉测量,应用所设计的方法对获得的人体膝关节运动数据进行计算分析,验证该方法的可靠性和准确性。结果表明,采用MATLAB软件编程处理的方法,能够快速、准确地对人体膝关节运动数据进行处理,并得到人体膝关节股胫关节的运动学特性,这为人工膝关节假体的设计与优化提供了参考。     

人体下肢能量收集与行走助力外骨骼分析与评价

随着人口老龄化加剧,人体机能衰退,导致四肢灵活性下降,严重者失去行走能力。研究表明,借助下肢外骨骼可以辅助人体行走。设计了一种下肢外骨骼,通过收集下肢健侧的能量,在患侧下肢行走时释放。利用单侧下肢对患肢进行运动补偿,辅助行走,实现人体能量的收集、管理和迁移。通过人体穿戴实验评价外骨骼对于肌肉的影响,结果表明股直肌的均方根值降幅可达10%,腓肠肌外侧肌肉的肌电积分值降幅达12%。外骨骼对下肢肌肉的影响较为明显,借助外骨骼可以为下肢运动提供辅助拉力,同时降低肌肉活性。     

欠驱动异构式下肢康复机器人动力学分析及参数优化

针对现有外骨骼机器人人机自由度不匹配和关节对中性差的问题,提出欠驱动下肢康复机器人. 欠驱动机器人只有4个直线驱动,驱动的直线运动通过推杆和人机连接机构转化为人下肢在矢状面内的屈伸运动,带动人体进行步态康复训练. 建立机器人系统的人机耦合模型,进行模型的动力学分析,对人机耦合模型中影响动力学结果的参数进行分析,建立驱动力与肢体推动力之间的关系模型,并以推力系数最大为目标进行参数分析与优化,得到最佳的结构参数. 根据优化后的结构参数搭建康复机器人实验系统,对髋、膝关节驱动力与角度进行对比. 实验结果表明最大髋关节角度误差为2.9°,最大膝关节角度误差为6.4°,最大误差均约为9%,验证了动力学模型和参数优化结果的正确性.     

基于气动肌肉的可穿戴式上肢外骨骼助力机器人动力学仿真

依据仿生设计原理,设计了一种基于气动肌肉的可穿戴式上肢外骨骼助力机器人,并进行了动力学仿真分析。参考人体肩关节、肘关节、腕关节的运动机理及特性参数,设计外骨骼的机械结构,运用Pro-e软件建立其三维装配体模型,将其导入ADAMS中进行动力学仿真。通过仿真分析得到大、小臂等的角速度和角加速度以及各个关节的力矩变化规律,验证了设计的合理性与正确性,为机器人智能控制提供了理论基础。     

产后康复训练平台运动学分析与仿真

基于社会发展的需要和医学对女性产后康复训练的功能要求,设计了一款两自由度的产后康复训练平台,并对其进行了运动学分析。在SolidWorks中建立两自由度并联运动平台模型,根据模型建立运动学方程并进行运动学逆解分析;结合ADAMS软件使用条件,设置装配体约束和运动函数,通过仿真得到了驱动杆运动轨迹和平台倾角数据;采用MATLAB软件进行了运动误差分析。结果表明,两自由度产后康复训练平台的仿真运动与理论分析结果相符,运动学分析与仿真能够为后续产后康复训练仪的研究提供理论依据。     

基于运动捕捉的多自由度机械臂输入设备研究

研究参照人体上肢运动角度活动范围,设计了一种用于交互式运动捕捉的多自由度机械臂输入设备.以Unity3D中的虚拟人物模型为实验样本,实验对比了使用图形用户界面(Graphical User Interface,GUI)和机器人用户界面(Robot User Interface,RUI)两种方法对5种指定动作生成所花费的时间.结果表明,使用该机械臂输入设备生成指定动作时耗时更短,分别为使用G U I方法的0.52倍、0.6倍、0.38倍、0.22倍和0.47倍,实验效果更加直观,为动画制作领域的研究提供了参考.     

基于MATLAB的下肢假肢摆动相仿真

介绍了一种基于MATLAB软件的下肢假肢膝关节摆动相仿真方法.下肢假肢膝关节采用固定式气缸体的四连杆机械机构.详细描述了建立下肢假肢膝关节摆动相运动学、动力学模型的过程.为了验证模型有效性,将人体运动捕捉实验获得的髋关节摆动相运动数据输入模型来预测小腿角度.实验结果表明,该仿真结果与采集到的小腿角度非常接近,为控制算法...