脑瘫儿童康复助行外骨骼机器人研究与展望

脑瘫是造成儿童行走功能障碍的最常见疾病。 下肢外骨骼在成人脊髓损伤或中风患者康复助行方面已有成熟应用,但 针对脑瘫儿童步态改善与行走效率提高的研究相对较少。 为了从技术与临床角度促进研究人员对脑瘫儿童康复助行外骨骼的 理解,本文首先分析了脑瘫儿童外骨骼相比成人外骨骼研究面临的特殊问题;其次根据下肢驱动关节数量对脑瘫儿童康复助行 外骨骼进行分类并综述其研究现状,重点阐述了其机构特点、控制策略、临床表现,分析了单关节与多关节脑瘫儿童康复助行外 骨骼的优缺点;最后探讨了脑瘫儿童康复助行外骨骼的发展趋势及面临的挑战。     

下肢康复外骨骼机器人结构拟人设计与运动学分析

下肢康复外骨骼机器人是一种可以辅助脑卒中导致运动功能障碍患者肢体运动和康复训练的机器人。基于人体下肢生物力学特点,提出了下肢外骨骼机器人设计方案,研究了下肢康复外骨骼机器人的机构设计原理及过程。针对外骨骼髋关节的关键零件设计进行详细阐述,研究了准拟人化设计的比例参数,使用了拓扑优化方法对膝关节电机架进行轻量化设计。基于D-H法分析了外骨骼机构的运动学关系,得到坐标转换矩阵。通过ADAMS软件进行运动学仿真,验证了运动学分析的可靠性。     

一种新型多体位康复训练下肢外骨骼的设计及实验

针对医学康复训练设备存在训练方式方法过于单一的问题,设计了一种新型多体位康复训练下肢外骨骼,建立了下肢外骨骼数学模型,进行了运动学仿真及分析.搭建了多位下肢康复外骨骼实验平台,进行了基于实物样机模型的步态行走实验.将仿真数据与实验数据进行对比,表明多体位下肢外骨骼设计的正确性以及合理性.     

一种多自由度可调节下肢康复外骨骼的设计与仿真

针对下肢受损、脑卒中等患者的康复训练,设计了一款多自由度可调节下肢康复外骨骼,利用丝杆机构代替传统腿部结构,并在腰部设有转动模块,能更好地实现人机协同。采用拉格朗日方法建立下肢外骨骼动力学模型,并计算了理论转矩;构建了下肢康复外骨骼模型,利用Ansys和Adams软件分别进行了有限元仿真和外骨骼运动学/动力学仿真。结果验证了结构设计的合理性,为后续下肢外骨骼制造与电动机选型提供了依据。     

下肢康复外骨骼的步态交互设计研究进展

中国正向深度老龄化社会高速迈进,脑卒中等老年性疾病人群逐年增多,开展面向助老适老的智能产品研究具有广阔的应用前景与重要的学术价值。下肢康复外骨骼是一种与穿戴者肢体交互并为其提供相应运动辅助和训练的人机交互共融智能产品。利用下肢康复外骨骼进行科学有效的康复运动训练,患者的肌力得以增强,脑神经和患肢之间的传递通路得以重建。根据穿戴者的下肢运动功能缺失或减弱程度生成并调整步态以进行安全有效的康复训练,是目前下肢康复外骨骼的研究前沿与热点。针对下肢运动功能障碍导致的行走方式差异化和康复步态规划个性化问题,结合国内外下肢康复外骨骼步态交互设计的研究进展,围绕下肢康复外骨骼步态性能评价标准、步态生成方法、步态控制策略和典型康复应用进行了重点分析探讨。最后总结并对下肢康复外骨骼的步态交互设计未来发展方向进行了展望,为相关研究人员提供参考。     

液压驱动下肢外骨骼系统设计与控制研究

研究基于液压驱动的下肢外骨骼机器人,旨在实现人体下肢的运动康复。设计结构紧凑型液压驱动下肢外骨骼整体机构。建立了下肢外骨骼多连杆机构模型,基于拉格朗日法对模型进行动力学分析。针对下肢外骨骼的快速随动控制提出了一种滑模控制器,并运用MATLAB进行了控制仿真模拟,仿真结果表明,外骨骼采用该控制算法具备良好的跟踪效果。搭建了外骨骼系统软硬件平台,通过预设步态跟踪控制实验,验证了机构的合理性与控制算法的有效性。     

面向竞技训练的下肢外骨骼多模态交互系统研究

目前关注辅助下肢提升身体素质训练的可穿戴设备研究存在缺失,而外骨骼与虚拟现实的协同研究是近几年的新兴方向,多模态信息融合的外骨骼系统能有效优化训练效果和训练体验。因此,开发了一套面向竞技训练的下肢外骨骼多模态交互系统,不仅提供了丰富多样且标准规范的辅助训练,并且实现了多感官的沉浸体验。首先,设计一种多自由度分步动作规划方法,基于下肢运动动作点实现训练动作的复现。其次,提出下肢外骨骼多模态交互系统,通过虚拟现实竞技训练模拟器实现信息空间中规范动作的呈现与指示,构建动作数据集和下肢外骨骼机器人实现物理空间中基础训练的辅助与矫正。系统基于多模态交互执行策略,实时给予训练者视觉、听觉、触觉的多感官反馈,实现符合安全规范的沉浸体验。最后,通过系统功能与用户体验两项实验进行系统验证。功能性实验证明,与原有传统训练相比,该系统平均可提升动作准确率27.62%,且具有一定通用性。用户体验的实验结果表明,该系统功能符合设计预期,舒适性相对其他指标有待提高。     

下肢外骨骼的结构设计与仿真分析

提出了一种利用电机+电动推杆混合驱动的外骨骼机械结构,它的单下肢有3个自由度,使用较少但必要的自由度来实现行走,降低了机构的复杂性,并且该结构避免了髋、膝关节轴向尺寸对人体的干扰以及踝关节尺寸对脚部运动的影响,同时引入腰宽调节机构,使外骨骼机器人能够适用于不同人群。此外,基于D-H法,建立了外骨骼机器人的运动学模型,并利用有限元分析软件,对外骨骼机器人进行静力学、动力学和模态分析。整个步行周期的受力情况的分析结果有效验证了结构设计的可行性。     

下肢外骨骼康复机器人的动力学建模及神经网络辨识仿真

针对下肢外骨骼康复机器人的灵敏度放大控制需要精确逆动力学模型的问题,通过Solidworks软件建立精确的三维实体模型,联合Matlab/SimMechanics建立下肢外骨骼康复机器人的动力学模型,以角度、角速度和角加速度作为输入信号,输出信号为髋、膝关节力矩,进行逆动力学仿真分析。将仿真后的输入输出数据利用BP神经网络进行训练并获得外骨骼逆动力学动态数学模型。仿真结果表明,该方法可以获得下肢外骨骼康复机器人精确的模型,并为进一步的实现外骨骼的灵敏度放大控制提供保证。     

一种外骨骼机器人的移动机架设计与仿真分析

针对下肢康复外骨骼受众面小,应用环境受局限的不足,设计了一款康复机器人移动机架,不但可以加大下肢康复外骨骼的受众面,保证用户的康复效果,还能够保证用户在使用下肢康复外骨骼时具有良好的安全性。文中使用三维建模软件SolidWorks进行三维模型的搭建,并针对移动平台与外骨骼的连接部分进行了详细设计。使用有限元仿真软件Hypermesh对结构进行了静力学和一阶、二阶模态分析,证明了所选材料与设计结构满足实际要求,通过振动频率计算,证明了不会与外骨骼发生共振。使用动力学仿真软件MSC Adams对康复机器人移动机架进行了运动仿真,证明了其在±5°陡坡、颠簸路面的良好通过性。     

下肢外骨骼行走康复机器人研究与设计

外骨骼机器人是一种可穿戴在操作者身体外部的一种机械装置,提供保护、身体支撑和运动等功能。文中设计了一种外骨骼行走康复机器人,该外骨骼康复机器人单下肢具有3个自由度,利用较少却必须的自由度来实现行走,降低了机构的复杂程度,提高了装置的效率,借助此外骨骼辅助患者摆脱轮椅站立起来并行走,通过采集拐杖与地面的接触信息来控制膝关节和髋关节的屈伸运动,从而帮助患者实现跨步。     

无动力助行外骨骼的机构设计和运动分析

针对神经系统疾病致使下肢行走存在困难的患者,设计了可穿戴无动力助行外骨骼康复装置,旨在帮助患者恢复其正常步行,并改善患者的日常生活自理能力。具体研究内容包括:对人体下肢运动机理进行分析,基于结构设计的安全性、可靠性、舒适性,同时考量系统自由度的合理配置后进行Solid Works三维建模,并对髋关节处的储能弹簧与滑道展开重点设计;对髋关节处储能弹簧的最佳刚度参数进行求解。     

患者被动式外骨骼的构想

针对长期昏迷患者以及高位截瘫患者护理过程繁琐、工作量大等特点,设计一种专门辅助患者进行全身性被动运动的外骨骼装置,以减轻家庭和医护人员的压力。通过从仿生学角度分析外骨骼的功能及结构特点,简要介绍了外骨骼的总体设计、支座的机构设计构想以及关节自由度的确定,并采用CAD二维软件、Inventor三维软件及动力学仿真软件ADAMS等完成了装置的结构设计、机构的受力分析以及虚拟样机的制作,为进一步研究外骨骼装置的机构设计等提供参考依据。     

一种混联式上肢康复外骨骼结构设计与分析

针对现有上肢外骨骼存在的精度、稳定性与外骨骼体积之间的平衡问题,提出了一种8自由度的混联式上肢康复外骨骼机器人;设计了一种新型的2自由度肘部康复装置,代替传统的单自由度肘部外骨骼,旨在更好地实现上肢运动障碍患者的肘部训练;设计了一种共轴球面的3RRR/S机构,用于手部康复,可使手部的康复训练更具包裹性。根据混联外骨骼机构确立坐标系,使用矢量环路法建立机构刚体部分的运动学模型,并通过蒙特卡洛法绘制机构工作空间云图,验证其满足康复训练所需空间要求。最后,通过Matlab对一典型运动进行轨迹规划,在Adams获得末端质心运动平稳轨迹,验证了其运动学分析和结构设计的合理性;并通过约束多余自由度仿真其最大负载姿态,绘制其负载特性曲线,为驱动选取和样机搭建奠定基础。     

携行式外骨骼下肢运动学分析与仿真

携行式外骨骼作为一种有效的人机耦合方式,能够为人体负重运动提供必要的支撑和辅助。下肢结构作为整个系统的核心组成,其运动轨迹的实现情况将会直接影响外骨骼穿戴舒适性和运动协调性。从运动学角度出发,对外骨骼下肢结构及自由度和动态稳定性进行了分析,利用坐标变换和D-H方法建立外骨骼下肢运动模型并实现下肢运动轨迹规划。利用Solidworks建立了外骨骼三维模型,将其导入Adams中构建虚拟样机模型进行运动学仿真。仿真结果验证了运动学模型及推导公式的正确性,为进一步研究携行式外骨骼打下了理论基础。     

下肢外骨骼机器人踝关节建模及动力学仿真

下肢外骨骼机器人是一种具有辅助助力和医疗康复功能的智能型机械装置。本文通过对人体踝关节结构分析,设计了被动气弹簧踝关节下肢外骨骼机器人,并建立了被动踝关节力学模型;利用OpenSim获得了正常人行走时一个步态周期髋、膝关节步态数据,将其导入ADAMS对所设计的下肢外骨骼机器人踝关节未加气弹簧和加气弹簧两种模型进行了动力学仿真,通过对两种模型运动曲线对比分析,验证了所设计的下肢外骨骼机器人在步态行走和动力学方面的可行性和正确性。     

可穿戴型下肢外骨骼助力机器人设计与研究

为拓展人体下肢关节机能,完成特定环境下的人机协同作业任务,介绍了一种可穿戴型下肢外骨骼助力机器人。在研究人体行走特点和下肢助力需求基础上,实现了外骨骼的机械结构设计与建模计算,针对外骨骼作业特点设计了电液伺服助力系统;通过虚拟样机运动仿真与外骨骼行走实验,匹配了驱动器与外骨骼的运动范围并优化,通过外骨骼辅助人体辅助站立实验验证了外骨骼与人体下肢运动范围匹配性及助力效果等,实验结果表明外骨骼助力机器人设计可行。     

基于振荡器的助行外骨骼跟随助力控制研究

针对外骨骼机器人在辅助人体步行过程中存在的人机交互不协调问题,对人体运动意图识别方法以及外骨骼关节助力矩柔顺性控制进行了研究。通过分析人体正常步行过程中步态特征,提出了基于振荡器相角的运动意图识别方法;分别利用仿真计算和实验平台试验,对基于振荡器相角的外骨骼步行跟随助力控制原理及性能进行了验证,同时在实验平台验证了解决初始零位自动补偿和静止状态防抖的相应算法;进行了5名实验对象参与的助行外骨骼样机10 m步行试验。研究结果表明:穿戴助行外骨骼步行相比自由步行,平均步行速度提高了20.16%,且实验对象反馈外骨骼助力无突然的跳变或抖动;基于相角振荡器的助行外骨骼跟随助力控制,不但能准确适应人体行走步幅步速,而且能有效提供柔顺的髋关节助力矩,实现顺畅的自然步行。     

基于人机耦合模型的上肢康复外骨骼闭环PD迭代控制方法

针对多关节上肢外骨骼重复性康复训练非线性求解困难问题,提出了一种闭环PD迭代学习控制方法。基于人体工学确定了六自由度上肢外骨骼康复机械臂的参数、自由度配置与关节运动范围。以人机交互力为耦合方式,建立了基于牛顿-欧拉法的人机耦合模型,完成了人机耦合动力学模拟分析。基于迭代学习控制理论提出外骨骼康复机械臂的闭环PD迭代学习控制方法,通过建模仿真分析了肩关节/肘关节迭代学习控制的轨迹误差、人机交互力和驱动力矩。第三次迭代后的轨迹误差小于0.05 rad,PD迭代学习控制器的输出对系统控制进行了有效的补偿,提高了系统状态的稳定性。研制了六自由度上肢外骨骼康复机械臂样机,开展试验测试。试验结果表明,随着控制试验在迭代域上的运行,系统的输出向着期望的系统状态转化,所提出的迭代学习控制算法可以提高上肢外骨骼康复训练重复性运动的控制精度,进而提高人机交互性能。     

创伤手指康复外骨骼手系统研究

在分析了人手生物学特性的基础上,提出了一种新的外骨骼式机械手,用于创伤手指的术后康复治疗。基于模块化思想设计了外骨骼手机构本体,该外骨骼手的特点是可以适应不同人手长度,能够驱动手指进行独立的弯曲和内收/外展康复运动,康复过程中为避免对关节周围软组织的损坏能够保证康复力始终垂直作用于指骨,且能实时反馈手指的关节角度、力信息。对外骨骼手关节单自由度和二自由度构型进行了分析,建立了外骨骼手的运动学模型,给出了外骨骼手的运动学和动力学方程。以ARM微处理器为核心建立了基于SPI总线的外骨骼手控制系统。最后,进行了外骨骼手的动力学仿真验证和食指弯曲方向康复实验研究。实验结果表明,外骨骼手系统可靠,康复原理和方法正确可行,能够满足创伤手指康复要求。