基于足底压力传感器的不控制减重比例下步态相位识别

下肢外骨骼机器人是帮助下肢运动功能障碍患者步行训练的新手段，能够减轻医护人员的劳动强度，它常采用减重方式完成辅助训练。然而，对于地面行走减重外骨骼机器人系统而言，其减重比例随步态及穿戴方式变化而变化，因此不控制减重比例下的步态相位识别具有重要意义。通过搭建基于Arduino Mega2560板卡和单侧鞋内8个薄膜式压力传感器的足底压力采集系统，分别采集了正常行走、不控制减重比例减重带减重状态下行走时的足底压力信息，并采用神经网络算法进行步态相位识别。结果表明：在减重状态下行走与正常行走相比，左右脚压力值均出现明显下降且两侧具有对称性；足底每个压力传感器处的压力减小比例不同；采用神经网络算法对正常行走时步态相位总体识别率达到96.8%，对减重行走时步态相位总体识别率达到94.8%。研究结果表明该足底压力采集系统可以有效测量减重行走时的足底压力，为在地面不控制减重比例下减重带减重的外骨骼机器人控制策略的制定提供一定支持。     

基于多信息融合的下肢外骨骼机器人感知系统研究

人体运动感知系统是外骨骼机器人柔顺控制和人机耦合的关键。通过分析外骨骼机器人的下肢动态模型,提出了一种支撑相选择位置控制、摆动相选择交互力导纳控制的人机协同控制方法。根据该方法开发了一种基于多信息融合的下肢外骨骼机器人感知系统,以人体下肢关节角度、人机交互力和足底压力为运动状态感知量,利用变增益卡尔曼滤波算法和Savitzky-Golay滤波算法分别对IMU传感器数据进行姿态角度解算和对FSR压力数据进行预处理,获得步态特征并通过试验来验证该方法的可靠性。试验结果表明：角度解算算法具有高精度、高稳定性的特点,交互力感知方法和FSR压力数据处理算法具有可行性,验证了所开发的感知系统能够可靠地获取关节角度、人机交互力和足底压力并融合处理,以及准确地识别穿戴者的步态特征。研究结果为外骨骼机器人感知系统的优化提供一定参考,促进了外骨骼机器人控制系统及策略的发展。     

基于MEMS倾角传感器和薄膜压力传感器的人体步态监测装置

为研究康复型下肢外骨骼的运动状态,基于微机电系统(microelectromechanical system,MEMS)倾角传感器和薄膜压力传感器建立人体运动状态监测装置。该装置按照功能划分为传感器模块、无线发送模块和数据处理模块,传感器模块利用倾角传感器和薄膜压力传感器感知肢体运动倾角和脚底支反力,无线收发模块通过Zig Bee将数据发送至计算机,数据处理模块采用Labwindows/CVI软件实现步态周期归一化处理。通过该系统与某型步态图像识别系统同步进行多种步速的步态试验,得到不同步速下两装置膝关节运动倾角归一化数据对比曲线,其结果基本一致,试验表明本监测装置具有实用性。     

基于弹性装置驱动的外骨骼助行效能评价

目前,被动式助行外骨骼的能量转化效率较低。基于人体步态特征及人在行走过程中产生的重力势能和动能,分析了外骨骼的助力原理,并采用多级能量锁止机构设计了一款下肢被动式外骨骼。建立了外骨骼的动力学仿真模型,以体重和行走速度为变量,对外骨骼储能性能进行了仿真分析。以肌电信号为依据对外骨骼的助力性能进行了研究,对比了在穿戴/未穿戴外骨骼时下肢各肌肉肌电信号的时域曲线及积分值。结果表明,多级能量锁止机构可以提高外骨骼的储能效率,外骨骼对不同体重和不同行走速度具有优良的自适应性,且存储能量与体重、行走速度均成正相关关系。该外骨骼在不同的行走状态下均具有良好的助力作用。     

穿戴式外骨骼机器人肌电信号采集与处理

下肢穿戴式外骨骼康复机器人在医疗领域的应用前景十分广阔,与下肢功能障碍患者的生活休戚相关,外骨骼机器人的精确控制可以由对人体动作准确的识别来实现,这有利于外骨骼机器人实用化.本文对下肢康复运动的特点进行分析,介绍了康复运动的步态规划、下肢运动机理、肌电信号的特点,以及sEMG信号及其特征,分析了sEMG信号生成原理、影响sEMG信号的主要因素以及肌电信号的采集系统;对基于sEMG的下肢外骨骼机器人的关键技术做了简单归纳:下肢外骨骼机器人的运动预测、模式识别、康复效果评估等.     

足部运动受力分布与鞋楦优化分析研究

利用力学模型构建出足底在平跟和提踵状态下受力情况,并分析了足底曲面的横向和纵向曲线的变化趋势, 为鞋楦的优化研究提供依据.其次,通过压力平台和鞋垫压力系统对双脚脚底压力的分布、运动过程中脚底压力、冲量、脚底受力时间的变化进行验证,获得鞋楦生产的基本参数.最后,在企业中进行鞋楦试制取得了较好的应用效果.     

一种可同时测量温度和压力的新型SAW传感器

针对汽车轮胎压力监测系统（TPMS）的典型应用,提出了一种基于声表面波（SAW）的新型传感器.这用SAW延迟线理论,温度和压力对于传感器的影响能够通过射频回波信号的变化反映出来.通过在数据处理中引入权重因子,实现对于温度和压力的准确测量.在一定压力（0-200 kPa）和温度（20-100℃）范围内的测试结果表明,该传感器能够同时准确测量温度和压力.SAW传感器对温度的测量精度可以达到0.05℃,对压力的测量精度可以达到7.2 kPa.在对于可靠性和耐久性具有特殊要求的汽车轮胎压力监测等领域,该传感器简单的结构和无线无源的测量方式,进一步提高了其实用性和推广价值.     

TBM试验台支撑推进液压系统设计与仿真分析

针对全断面硬岩隧道掘进机(TBM)存在推进系统压力控制不精准、支撑系统高压撑紧时冲击剧烈的问题,在直径2.5mTBM试验台上设计了支撑推进液压系统.在AMESim中搭建了系统模型,仿真分析了推进系统在随机负载下的压力响应及支撑系统中关键部件在不同设置参数下的系统响应.结果表明:推进系统压力控制精准,支撑系统中节流口直径在1~3mm内减小时,油缸稳态输出力无变化,系统冲击减缓,响应时间随之增加;背压阀压力增大时,油缸稳态输出力减小,撑靴速度更稳定,对系统压力响应影响小.节流口直径为1.5mm、背压阀压力为7 MPa时,冲击平缓,撑靴运动速度稳定,系统同时获得较快的响应速度.所设计液压系统可实现支撑系统响应速度较快、撑靴速度稳定、冲击平缓和推进系统压力控制准确.     

多通道压力传感器综合检测系统设计

主要描述了多通道压力传感器综合检测系统硬件组成及软件功能设计,通过本压力传感器综合检测系统可满足飞机研制试验中压力传感器检测需求,保证飞机型号试验进度及试验压力测量数据的准确可靠。     

合金薄膜电阻应变式压力传感器的研究进展

综述了合金薄膜应变压力传感器的现状、发展趋势、技术关键及应用情况.合金敏感薄膜电阻在应变压?技 力传感器上的应用克服了粘贴式应变压力传感的缺点,使压力传感器结构更精细,性能更优越,适应各种恶劣环境测量压力的要求.     

髋关节助力外骨骼的结构设计

目的以为正常人和具有行走功能障碍的人群提供行走助力为设计目标,对髋关节外骨骼进行结构设计。力求实现质量轻、结构可靠、制造简便、人机协调性好等目标。方法基于人机工程学和人体步态运动规律提出一种髋关节外骨骼的结构设计方法,并确定了该外骨骼结构的自由度数、运动副设置、几何关系以及各杆长等关键信息,基于以上内容对外骨骼进行详细设计,建立虚拟样机模型,并使用ADAMS软件对其进行动力学仿真。结果样机模型运动良好,符合预期目标。并基于以上数据得到了该外骨骼滚珠丝杠的运动速度和电机的选型标准。结论 ADAMS软件仿真结果表明外骨骼的结构设计合理,动力符合设计要求,同时,为下肢外骨骼的相关结构简化提供了参考,为外骨骼的进一步设计奠定了基础。     

下肢外骨骼矫形器的动力学建模与运动控制研究

对用于步行训练的下肢外骨骼矫形器的动力学与运动控制进行了研究.首先利用拉格朗日法建立了下肢外骨骼矫形器在跑步机上双足步行的动力学模型;在此基础上,设计了实现下肢外骨骼矫形器的轨迹跟踪控制的计算力矩加比例微分反馈控制系统,并采用Lyapunov方法,分析了控制系统在建模存在误差情况下的稳定性和收敛性;最后,在Adams-Matlab虚拟样机协同仿真平台上进行了下肢外骨骼矫形器的步行仿真实验,结果表明该控制方法对下肢外骨骼矫形器的轨迹跟踪控制是有效的.     

肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼设计与分析

无动力外骨骼具有质量小、代谢能耗低、基本不改变正常步态、无需外动力源和可持续工作时间长等优点，已逐渐成为新型外骨骼领域的研究热点。为提升常规无动力下肢外骨骼对步态能量的利用效率，设计了一种肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼。首先，通过建立人体下肢动力学模型分析了行走过程中下肢能量的变化规律，得到了步态能量的储存与释放机理；然后，结合设置代起止点的折线路径及肌力贡献度，制定了关节肌肉的肌力协同补偿路径；最后，基于踝、髋关节的刚度设计了弹性储能元件，构建了一款无动力柔性下肢外骨骼，并利用OpenSim软件分析了有无穿戴外骨骼时人体下肢相关肌肉在行走过程中的代谢能耗。结果表明，在穿戴无动力下肢外骨骼时，比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌的代谢能耗分别降低了31.5%，34.7%和40.0%，股直肌、阔筋膜张肌和缝匠肌的代谢能耗分别降低了36.3%，7.0%和5.0%；单个步态周期内下肢相关肌肉的总代谢能耗降低了15.5%。研究结果可为低代谢能耗的无动力下肢外骨骼的优化设计提供一定的理论依据。     

基于多源生物信号的下肢步态相识别

为提高人体下肢步态相识别的准确性,研究了融合表面肌电信号(sEMG)、膝关节角度和足底压力信号的人体下肢步态相识别方法。首先, 将sEMG信号进行小波包分解提取多尺度能量和多尺度模糊熵特征;然后,对提取的sEMG信号特征值采用主成分分析（PCA）方法进行降维处理,并与足底压力特征值和膝关节能量特征值构成一组特征向量;最后,将特征向量输入粒子群优化最小二乘支持向量机（PSO-LSSVM）对人体下肢运动信息进行步态相识别。实验结果表明,所提方法相较于其他方法有较高的识别准确率和有效性。     

基于足底压力信号的步态识别

设计了一款基于足底压力传感器的足底测力系统,对压力传感器进行选型布局,设计信号调理电路,对采集到的压力信号进行放大及滤波处理,搭建硬件平台,设计信号采集界面;进行传感器标定实验以及足底测力系统实验,采集测试对象以不同步速进行平地行走以及楼梯行走时的足底压力信号;对采集到的足底压力信号进行比例运算,确定模糊集,设计隶属函数,以比例信号作为输入量进行模糊化处理,采用Larsen产品暗示法作为推理算子建立模糊规则推理,根据模糊输出信号识别出步态相位。     

基于生物力学的足部保健产品研究

目的在健康保健的社会背景下,研究足浴盆的设计。方法调查测量老年人和青年人脚型差异性,并运用Footscan足底压力测试仪测试青年人群和老年人群正常行走状态下足底压力分布,分析不同人群足底压力分布的差异性。结论针对青年人群和老年人群的足部形态和最大足底压力的差异对足浴盆进行设计,老年足浴盆足底按摩区域设置应大于青年人,足弓按摩粒子高度大于青年;老年足浴产品按摩粒子应重点分部位于第三至第五跖趾关节和中足区域,青年人群足浴产品按摩粒子应重点分布在第二、第三跖趾部位、拇指区域和足跟区域;按摩粒子结构依据足底反射区原理设置为外软内硬结构。     

基于拓扑优化的军用单兵外骨骼装备设计研究

目的 以构建人机协调、轻量化的外骨骼设计为目标,探索拓扑优化在军用单兵外骨骼设计领域的应用和方法。方法 通过分析外骨骼装备的使用需求和现有装备的设计特点,结合人体工学和运动学理论提出军用单兵外骨骼装备的设计方向,将拓扑优化方法引入外骨骼装备前期造型设计阶段,建立以形态结构优化为先导的设计流程,并应用于军用单兵外骨骼装备设计。结果 基于人体运动自由度和步态,设计了具备拓扑优化造型的军用单兵外骨骼装备。装备部件经过优化后,在结构性能较为理想的同时,自重显著降低、装备可穿戴性好,且能够提供有效的负重辅助和可观的运动助力,达到了设计预定指标。结论 拓扑优化设计方法能够满足人机协调运动机构和高比强度造型结构的外骨骼装备设计要求;基于该方法设计的单兵外骨骼装备具有良好的军事应用前景。