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.     

基于CATIA的可穿戴下肢康复外骨骼人类工效学研究

为改进和完善偏瘫患者处于穿戴下肢康复外骨骼期间的人机耦合舒适性,运用CATIA(computer aided three-dimensional interactive application)人类工效学模块对偏瘫患者的运动形态进行虚拟仿真,将外骨骼设备作为研究方向,着重进行整机系统中人、机关系的剖析,在此基础上应用人类工效学理论对康复外骨骼设备作出人机工学设计、人机校定和评估。经过仿真分析及人机评估系统的研究表明,应用该设计方法使下肢康复外骨骼的空间适配和人机系统更好地达到偏瘫患者舒适度需求的要求。     

一种基于磁流变效应的外骨骼作动器设计及分析

针对穿戴式外骨骼长时间保持姿态困难、驱动系统刚度难以精准控制等问题，设计了一种基于磁流变效应的外骨骼作动器，实现人体长时间站立、蹲坐等姿态保持以及刚柔耦合自适应调整，有效提高穿戴舒适性及随动性。采用SolidWorks、Maxwell及MATLAB联合仿真技术对外骨骼作动器不同状态进行了相关磁场力分析实验，实验结果表明，外骨骼作动器在4A电流驱动下，在θ=π/2实现最大379N的输出力。     

外骨骼式上肢康复机械臂控制系统的研究

随着科学技术的发展,许多辅助类机械人开始得到普及和应用,无人配送小车、无人飞机以及机械狗等一系列机械人设备被投放到市场中,而该课题将会以外骨骼式上肢康复机械臂为研究对象,建立被控制对象的数学模型,实现对上肢机械臂的控制。研究人员搭建了1套外骨骼式上肢康复机械臂平台,外骨骼式上肢康复机械臂主控制系统由上位机和下位机组成,上位机主要负责交互以及发送指令,下位机则负责根据上位机的指令对外骨骼式上肢康复机械臂进行控制。     

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。     

基于人机闭链的下肢康复外骨骼机构运动学分析

针对下肢康复外骨骼在使用过程中出现的运动偏差，基于人体-外骨骼运动模型与调整模型，完成了下肢康复外骨骼的结构设计与运动学分析。运用人机偏差变量理论和人机相容理论，在人体-外骨骼运动模型上添加被动自由度，建立了人体-外骨骼调整模型。根据2种模型设计了下肢康复外骨骼，该外骨骼提供运动模式和调整模式，可通过人机滑动偏差检测装置切换使用模式。通过建立单侧外骨骼机械腿运动学模型，求解其运动方程和连杆变换矩阵。运用MATLAB和ADAMS软件对外骨骼模型和人体-外骨骼模型进行运动学仿真，并对比分析仿真结果。结果表明：下肢康复外骨骼在矢状面内的运动空间可以覆盖人体末端运动轨迹，该外骨骼各关节仿真运动趋势与理论运动趋势基本一致；调整模式能够补偿运动模式产生的运动偏差，验证了下肢康复外骨骼机构设计的合理性。研究表明基于人机闭链设计的下肢康复外骨骼机构能够较好地补偿运动偏差，避免因人机滑动引起的人体二次损伤，为外骨骼的实用化设计与研究提供了理论基础。     

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。     

医疗助力下肢外骨骼设计及动力学仿真分析

针对人体下肢受伤康复等问题,设计了医疗助力下肢外骨骼机器人.对下肢外骨骼系统进行了基本结构设计,把下肢运动分单腿、双腿支撑的不同时期,进行了下肢外骨骼系统动力学计算.通过Lagrange方程,得到各关节力矩计算公式,建立了三维模型,利用基于接口的协同仿真技术并结合ADAMS和MATLAB软件对外骨骼进行联合仿真,得到单腿支撑时期各关节角度变化曲线及力矩变化曲线,对比仿真数据和理论计算数据,验证了理论模型的合理性.通过下肢外骨骼仿真分析设计,为后期下肢外骨骼运动控制及模型制造提供重要数据与理论基础.     

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。     

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。     

机械外骨骼在残疾人辅具和生活辅具中的应用

机械外骨骼是一种旨在通过穿戴在人身上(类似于盔甲),全面提高人体各方面的机能的机械,旨在帮助残疾人恢复功能以及老年人和运动功能障碍者改善生活质量等.根据是否含有动力源将机械外骨骼分为两类;一类含动力源,使用者的肢体完全受外骨骼控制,属于主动式;另一类不含动力源,由使用者控制自身的动作,而机械外骨骼只需要将每一个动作加以锁定以便执行运动功能,属于助动式.在此,通过分析机械外骨骼技术的特点和老年人及患有运动功能障碍等人群的特点.探索将该技术应用于残疾人辅具及生活辅具领域的方法.     

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。     

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.     

一种六自由度上肢康复机器人的结构设计及运动学分析

为解决现有上肢康复机器人功能单一以及结构复杂的问题,提出了一种6-DOF外骨骼式上肢康复机器人,建立了康复机器人的运动学模型,通过D H变换对其正向运动学和逆向运动学进行求解.运用Pro/E对康复机器人进行三维建模,通过Mechanism/Pro导入ADAMS/view中进行运动学仿真,得到机器人末端位移的仿真曲线和理论曲线一致,验证了理论推导的正确性,进一步仿真结果证明该方案具有较好的运动特性.     

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。     

微电子所极低功耗系统级芯片研发取得新成果

便携式医疗电子产品主要是指植入式、口服式、穿戴式的生理参数检测和仿生系统等电子产品,系统级SoC(System on Chip)芯片作为这类产品的核心元器件,通常由信号采集、     

下肢康复用并联式外骨骼膝关节的设计

提出了下肢瘫痪病人康复用并联式外骨骼膝关节的设计方法.通过分析传统单自由度转动副和多连杆机构的不足,采用平面二自由度并联机构对膝关节外骨骼化,以提高外骨骼膝关节的仿生性和通用性,并提出了该机构辅助人体膝关节进行康复训练的实施方案.在运动学分析的基础上,以满足人体正常行走时膝关节的运动范围要求和提高机构运动学性能为目标进行了结构参数优化设计.初步分析表明,该机构用于下肢瘫痪病人康复训练时具有仿生性高和通用性强的特点.     

基于物联网的可穿戴式游泳姿态测量系统设计与数据分析

游泳运动在脊柱疾病和运动损伤的康复治疗中占据着重要地位,游泳者的身体状况基本上依赖于治疗师的视觉观察和游泳者的主观感觉,这在评估的准确性上有很大的限制.针对康复治疗中的游泳运动和游泳运动员的日常训练,结合物联网和虚拟仪器技术提出了一种可穿戴式游泳姿态测量系统,包括实时测量游泳者运动数据的游泳姿态测量装置和用于运动数据分析显示的游泳姿态监测软件平台.选择一名专业教练佩戴该系统,以蝶泳、仰泳、蛙泳和自由泳4种常用泳姿进行了实验验证,并对实际测量的运动信息进行了分析处理,实验结果表明该系统可对游泳运动过程进行稳定的在线监测,且数据分析结果对康复治疗中患者的身体状况评估和对游泳运动员日常训练评估有一定的参考价值.     

医疗器械与新型穿戴式医疗设备的发展战略研究

医疗器械领域涉及国计民生,发展潜力巨大,但我国医疗器械产业中低端产品较多,高端产品缺乏原创性,发展面临重重困难和挑战。作为快速增长的新兴技术领域,发展新型穿戴式医疗设备具有重要意义。为此,中国工程院启动了"我国全民健康与医药卫生事业发展战略研究"重大咨询项目,其中"医疗器械与新型穿戴式医疗设备的发展战略研究"作为八个重点课题之一,围绕医疗器械与新型穿戴式医疗设备的发展现状和战略需求,研究我国医疗器械产业与新型穿戴式医疗设备领域的现状及特点,分析我国医疗器械国产化与新型穿戴式医疗设备领域健康发展的关键问题,研究该领域的相关政策,理清我国医疗器械发展过程中的重点问题、需求、已有优势和特点,并在此基础上提出了对策建议。     

膝关节外骨骼机器人自适应变刚度承载优化研究

针对人体膝关节转动瞬心的运动规律,以及下肢在支撑相运动过程中需要外骨骼提供较高的辅助承重刚度、摆动相中外骨骼与膝关节运动空间相匹配兼容等特点,提出一种新型自适应变刚度膝关节外骨骼机器人.以此为研究原型,采用拉格朗日法构建了膝关节外骨骼转动部分系统动力学模型,并以此为基础在Matlab平台上开展了其负载优化仿真研究,最终...