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。     

人因模拟的腰部助力外骨骼机器人舒适性设计

目的 针对腰部助力外骨骼机器人穿戴过程繁琐、身体感受不良、交互体验不佳等舒适性因素,提出一种舒适性分析评估方法和设计提升方案,为外骨骼机器人舒适性设计提供参考.方法 以Jack人因模拟软件为分析工具,模拟腰部助力外骨骼机器人使用过程,从人体模型构建、负载状态模拟、可达区域分析、视野区域分析、静态受力分析等角度,对腰部助力外骨骼机器人舒适性影响因素进行分析.基于一款腰部外骨骼机器人原型机的不舒适因素,对机械匹配尺寸、设备自重分布、绑缚结构设计、交互体验设计等方面提出优化改进方案,并对改进方案进行模拟验证.结论 可以通过人因模拟的方式,对腰部外骨骼机器人进行舒适性提升设计,改进后的腰部助力外骨骼机器人舒适性有显著提升.     

无动力下肢负重外骨骼人机动力学及其储能元件刚度优化EI北大核心CSCD

为提高人体搬运效率,降低人体关节损害,提高外骨骼能量利用效率,基于人机动力学对一种无动力辅助负重下肢外骨骼的储能元件刚度进行优化。应用牛顿-欧拉动力学方程建立人机耦合动力学模型,得到各关节力矩与大小腿长度和质量、关节转角及弹簧刚度关系的数学模型。将三维动作捕捉系统采集的角度数据代入动力学方程中,通过MATLAB进行计算得到关节力矩动态变化规律。建立人机系统各部分的能量流动模型,并进行步态周期内的能量流动分析,以储能元件刚度为参数,储能元件的能量流动为约束条件,各关节平均力矩最小为目标建立优化模型,通过与AnyBody人体仿真软件获得的人体模型作对比验证优化结果的正确性。结果表明,穿戴优化后外骨骼减轻了下肢着地时对人体的冲击,有效降低了人体能耗和下肢关节转矩。     

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。     

工业装配外骨骼机械臂承重性能研究

机械臂是工具支撑型工业装配外骨骼非常重要的一部分,它对工具的稳定支撑有着重要影响,直接决定此类外骨骼的使用性能。结合现有仿人机械臂的设计方法,以国内成年男子手臂尺寸为依据,基于弹簧连杆机构设计了一款用于工业装配外骨骼的机械臂。根据弹簧连杆机构的静平衡系统,阐述了工业装配外骨骼机械臂支撑以及承重的基本原理,证明了机械臂减重的可行性。为研究工业装配外骨骼机械臂承重性能,基于现有外骨骼模型进行了9组两弹簧机构连杆初始角度为不同θ₁、θ₂的仿真试验,并利用逆向仿真方法得到了不同条件下机械臂举升高度与举升力之间的关系曲线。为了更方便地研究机械臂承重性能,针对此机械臂提出了有效承重区间的概念。仿真试验结果表明,减小初始角度可以得到更大的有效承重区间,θ₁对整个机械臂承重性能的影响比θ₂大;具有较大初始角度的机械臂能够增强工具的稳定性。研究结果证明了基于弹簧连杆机构的机械臂能够很好地应用于工业装配外骨骼,为此类外骨骼机械臂的研究和设计提供了参考。     

基于ADAMS的助力机械腿结构设计与仿真

 为研究助力机械腿的步态周期,提出采用虚拟动力学软件仿真模型行走过程的方法.结合人体结构和行走规律,研究助力机械腿的工作原理和功能实现,对助力机械腿进行机械结构的设计,并建立助力机械腿和与之相配合的数字人的三维模型,利用ADAMS对人体行走步态进行仿真模拟控制.试验验证了建立的助力机械腿符合人体行走的要求,在技术上是可行的,为实体样机试验提供了参考,对研究助力机械腿控制算法具有积极意义.     

下肢外骨骼助力机器人动力学建模及实验研究

下肢外骨骼助力机器人存在人?机关节是否匹配、主动关节设计是否满足人体关节运动的驱动力要求等问题。为解决上述问题,基于所设计的电液伺服驱动下肢外骨骼助力机器人,将其简化为七连杆结构,并结合步态平衡理论,采用牛顿?欧拉法构建了其摆动相与支撑相瞬时动力学模型。然后,将不同步态相位下人体运动时的角度数据、速度数据及机器人结构参数代入牛顿?欧拉动力学迭代方程,求得机器人各关节的理论驱动力矩。最后,开展ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析）仿真实验和人机协同助行实验,通过对机器人各关节的驱动力矩峰值进行比较,验证了所构建动力学迭代方程的正确性和有效性。结果表明,通过采用牛顿?欧拉法来求解下肢外骨骼助力机器人关节的驱动力矩,可为其结构优化与控制策略制定提供重要的理论支撑。     

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。     

浅谈搬运助力外骨骼机器人设计

为了解决搬运重物体力消耗大、安全性低等问题,笔者提出了一种搬运助力外骨骼机器人,详细设计了机器人的机械结构,分析了机器人的工作原理。阐明搬运助力外骨骼机器人的优点:关节自由度符合人体特征,运动灵活;设置了伸缩助力装置与弹性连接带,能够有效辅助弯腰动作;各个关节都设置了限位装置,防止外骨骼机器人出现故障时对使用者造成伤害。     

一种新型机器人撞击夹持装置

在机器人发展的大背景下,各种机器人比赛层出不穷。针对机器人比赛中的对抗、搬运问题和现实中存在的夹持搬运问题,设计了一种机械夹持机构,运用撞击力驱动机械臂对物体进行夹持,同时用弹簧存储能量,再释放弹簧使机械臂张开,松开被夹物体。本文简单的介绍了其原理、结构和工作方式和环境。     

Unpowered Knee Exoskeleton Reduces Quadriceps Activity during Cycling

Cycling is an eco-friendly method of transport and recreation. With the intent of reducing the energy cost of cycling without providing an additional energy source, we have proposed the use of a torsion spring for knee-extension support. We developed an exoskeleton prototype using a crossing four-bar mechanism as a knee joint with an embedded torsion spring. This study evaluates the passive knee exoskeleton using constant-power cycling tests performed by eight healthy male participants. We recorded the surface electromyography over the rectus femoris muscles of both legs, while the participants cycled at 200 and 225 W on a trainer with the developed wheel-accelerating system. We then analyzed these data in time–frequency via a continuous wavelet transform. At the same cycling speed and leg cadence, the median power spectral frequency of the electromyography increases with cycling load. At the same cycling load, the median power spectral frequency decreases when cycling with the exoskeleton. Quadriceps activity can be relieved despite the exoskeleton consuming no electrical energy and not delivering net-positive mechanical work. This fundamental can be applied to the further development of wearable devices for cycling assistance.     

The human foot and heel–sole–toe walking strategy: a mechanism enabling an inverted pendular gait with low isometric muscle force?

Mechanically, the most economical gait for slow bipedal locomotion requires walking as an ‘inverted pendulum’, with: I, an impulsive, energy-dissipating leg compression at the beginning of stance; II, a stiff-limbed vault; and III, an impulsive, powering push-off at the end of stance. The characteristic ‘M’-shaped vertical ground reaction forces of walking in humans reflect this impulse–vault–impulse strategy. Humans achieve this gait by dissipating energy during the heel-to-sole transition in early stance, approximately stiff-limbed, flat-footed vaulting over midstance and ankle plantarflexion (powering the toes down) in late stance. Here, we show that the ‘M’-shaped walking ground reaction force profile does not require the plantigrade human foot or heel–sole–toe stance; it is maintained in tip–toe and high-heel walking as well as in ostriches. However, the unusual, stiff, human foot structure—with ground-contacting heel behind ankle and toes in front—enables both mechanically economical inverted pendular walking and physiologically economical muscle loading, by producing extreme changes in mechanical advantage between muscles and ground reaction forces. With a human foot, and heel–sole–toe strategy during stance, the shin muscles that dissipate energy, or calf muscles that power the push-off, need not be loaded at all—largely avoiding the ‘cost of muscle force’—during the passive vaulting phase.     

Investigation of the passive electromagnetic damper

In this paper, the electromagnetic damper (EMD), which is composed of a permanent-magnet DC motor, a ball screw and a nut, is considered to be analyzed as a passive damper. The main objective pursued in the paper is to determine the EMD characteristics in order to improve the vehicle performance. The effects of the EMD characteristics on ride comfort and road handling are investigated first, and then, the effect of a spring installed in series with the EMD to alter the EMD performance is observed. In order to study energy regeneration, the nonlinear equations of the modified passive electromagnetic suspension system (PEMSS) are extracted. The results of simulation show that the designed passive EMD maintains the desired performance while vibration energy from the road excitation can be regenerated and transformed into electric energy.     

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。     

下肢外骨骼服传感靴的结构优化分析

为实现对骨骼服的控制, 需要确定人体正常步行时脚底压力载荷分布情况,为此研制了一套可靠耐用的骨骼服传感靴.通过分析比较现有各种测力鞋垫系统,提出一种只需在传感靴底部的适当位置放置3个压力传感器就可以准确测量步态压力且性能更可靠的结构优化方案.试验结果表明,优化后的传感靴可以更快速准确地测量出不同步态时的脚底压力,有效提高外骨骼跟踪响应速度,可用于外骨骼机器人系统和改进控制算法设计.     

Performance assessment of the suspended-load backpack

The suspended-load backpack is found to improve the energy efficiency of walking with a load in some scenarios. The objective of this study is to (i) analyze the dynamic load of the suspended-load backpack over a range of walking speeds and pack masses, and (ii) determine the optimal design parameters for the suspended-load backpack to minimize the effect of dynamic load on the efficiency of walking. A simple spring, damper and mass system is used to model the performance of the suspended-load backpack as well as the typical hiking pack. The oscillating load and phase angle are calculated over a range of loading and spring stiffness values to determine the system resonance and optimal spring stiffness design range for the suspended-load backpack. Our results reveal that the stiffness for the suspended-load backpack should be designed below one half of the resonance stiffness to minimize dynamic loads at a given walking speed. The location and magnitude of the maximum phase angle is also calculated. A performance comparison between the suspended-load backpack and a typical hiking pack demonstrates the beneficial range for the suspended-load backpack. The suspended-load backpack is found to provide significant reductions in the peak backpack load, compared with a typical hiking pack, while carrying large loads at fast walking speeds. The suspended-load backpack performs poorly for low pack loads due to in-phase oscillations between the pack and the walking person.