步态分析研究综述

目的 梳理步态分析的发展脉络,介绍步态分析中常用的实验和仿真方法,了解步态分析的主要应用领域,预测步态分析未来的发展方向。方法 收集步态分析领域的国内外主要文献,梳理该领域的主要研究内容、研究方法、研究现状和主要应用领域。结果 步态分析的主要研究内容是对运动学、动力学参数及其变化规律的定量研究,多数学者将研究集中在临床诊断与康复评价、穿戴式机器人及康复辅具研发与竞技体育科学训练方式探索上;步态分析的研究方法包括实验研究和仿真分析法;步态分析的研究成果可以为医疗领域中相关疾病的临床诊断、疗效评估和康复训练提供指导意见,为工程领域中双足机器人、助行器及康复辅具、人工关节的设计开发提供数据支撑。结论 未来步态分析手段将更精准、应用领域将更广泛,步态分析的应用也将扩展到更多领域,工业设计也将持续引入步态分析的方法与成果,为用户带来更好的产品和更舒适的体验。     

仿人机器人基本运动规划研究

仿人机器人步态规划运动的基本规律和运动过程中的稳定性国内外很多研究者做了详尽的分析,尤其是基于重心ZMP点调整的仿人仿人机器人步态得到普遍的研究.结合国内外研究方法的优缺点,基于目前ROBONOVA-1仿人型仿人机器人的结构设计和传感器系统的实际情况,对仿人机器人慢速前进后退,主要采用基于重心的步态规划方法进行研究。     

多关节蛇形机器人的结构设计和运动实现

针对蛇形机器人整体研制的关键问题，包括材料选取、结构设计和运动实现等，研制了一种新型的多关节蛇形机器人。该蛇形机器人由11个二自由度正交关节构成，可在保证灵活性的同时实现三维高仿生运动。采用蛇形曲线设计了蛇形机器人的蜿蜒、蠕动和翻滚等基本步态，并进一步提出了改进的越障步态。同时，在V-REP软件中对蛇形机器人的步态进行运动仿真，比较了不同步态的运动轨迹和运动效率。最后，通过蛇形机器人样机步态实验，对步态模型中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响进行了分析，验证了蛇形机器人本体结构与控制系统的可靠性。研究结果对实现蛇形机器人的步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。     

步态训练机器人人机系统动力学仿真

基于MATLAB对6自由度步态训练机器人的人机系统进行了动力学仿真研究.应用Newton-Euler法,推导了机器人的运动约束方程和动力学方程,构成了机器人的约束矩阵方程(constrained matrix equation,CME);分析了正常人在平地行走时的步态特征,并给出了人在行走时双足对地面的压力模型,利用MATLAB工具箱建立了人机系统动力学仿真模型,并对机器人跟踪人在平地行走的步态轨迹进行了仿真分析.仿真结果表明,步态训练机器人对人的双足负载具有良好的适应能力,可以方便获取机器人的动力学参数.该研究为实现机器人的控制及性能改进提供了理论依据.     

六足机器人步态规划及其静态稳定性研究

以一种新型六足机器人样机为研究对象,研究机器人直线行走步态及其在该步态下的稳定性.分别规划了一种六足机器人纵向与横向直线行走的三角步态,给出了六足机器人在三角步态下步长以及稳定裕度的计算方法,并分析了六足机器人在三角步态下的静态稳定性.六足机器人采用三角步态直线行走时,不考虑惯性力对机器人稳定性的影响,在其步长满足一定条件时,六足机器人是静态稳定的.     

轮腿可切换机器人步态切换动作设计及其机体位姿测量仿真

轮腿可切换机器人在不同的环境下具有不同的运动性能,研制一款新型轮腿可切换机器人。该机器人可实现轮式步态和腿式步态的切换以适应不同环境,最大限度提高机器人运动性能。本文研究了机器人进行步态切换时,机器人机体位姿变化及机器人机体质心在空间的位移及机器人腿各个关节的旋转角度的变化的测量方法,为机器人稳定性研究提供依据。通过对机器人步态切换动作进行仿真,测量机器人质心在空间的变化量及关节角度变换,分析测量结果表明机器人位姿变换平稳,证明机器人步态切换动作的合理性。     

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MATLAB及STM32的双足机器人步态规划研究与实现

双足机器人的步态稳定研究一直是相关领域的核心问题,该文主要介绍了一种双足机器人步态规划设计,通过观察人的步态规律得到关节空间中单足运动步态变化的8种状态,从而推导双足运动,通过MATLAB仿真在基于STM32和6个数字舵机搭建的双足机器人模型中完成运动验证,证明了该设计的正确性。     

步态康复训练机器人人机交互信息感知系统

针对步态康复训练机器人与患者实时交互的需求，研发了获取人机接触力信息的感知系统。利用拉格朗日法建立包含人体主动力的下肢外骨骼机器人动力学模型，并分析患者下肢运动动作意图，为步态康复训练交互控制提供判断依据。在步态康复训练机器人样机系统上进行了静态、动态测量实验及被动/主动康复训练测量实验，结果表明该感知系统能够满足人机接触力的检测精度要求，能在康复训练中获取人体运动意图，这为步态康复训练机器人的智能交互控制策略研究奠定了基础。     

基于CPG的六足机器人运动控制方法研究综述

以六足机器人为研究对象,分析了中枢模式发生器(CPG)的国内外发展现状,揭示其主要是以振荡器作为控制器进行信号输出。针对如何搭建CPG模型,以Hopf振荡器为例进行模型搭建和改进,搭建六足机器人实验平台验证CPG模型控制六足机器人步态运动是可行的。最后对基于CPG的六足机器人发展进行了展望。     

融合多主体用户的养老服务机器人迭代设计需求研究

目的 用户需求和重要度的确定是设计师进行产品研发的关键环节,对企业产品开发成功与否也起着至关重要的指导作用,然而当前养老服务机器人在进行设计开发时仅考虑了用户老年人的需求,缺乏综合考虑老年人子女,即间接用户对服务机器人的需求。因此,提出融合多主体用户的养老服务机器人迭代设计需求识别方法,以期帮助设计师明确产品迭代的方向,从而满足多主体用户的切实需求,进而增强企业产品竞争力。方法 首先通过用户访谈获取直接用户老年人和间接用户子女的共同需求,即关键需求,其次利用熵权法确定关键需求的初始重要度,然后运用模糊kano模型确定关键需求类别,根据关键需求分类结果引入重要度调整函数,对关键需求初始重要度进行调整,综合考虑分析得出老年人及其子女的需求重要度,识别出未达到用户期待的需求,从而发现当前养老服务机器人的不足,指导设计师进行迭代设计,帮助企业研发出满足多主体用户切实需求的养老服务机器人。结论 通过综合分析养老服务机器人的多方需求,明确了其在用药指导、远程医生和影音娱乐3个方面的不足,帮助设计师找到了迭代设计的方向,验证了该方法的有效性和可操作性,同时该方法也为其他涉及多主体用户产品的改进设计提供了一定的参考价值。     

助行康复机器人人机交互设计研究综述

目的对助行康复机器人人机交互设计研究进行归纳整理、综合分析、评述与展望,以期为相关研究提供参考及借鉴。方法以人机交互设计方法为基础,通过文献研究法和定性研究法等对助行康复机器人的分类、人机交互控制策略与人机交互界面设计进行综述。结论指明了按功能、人机运动关联、步态训练区域和结构等助行康复机器人的分类方式与研究现状;归纳总结了三种助行康复机器人的人机交互控制策略的研究进展和研究成果,包括基于人体测量信号的控制策略、基于交互力测量的控制策略和基于机器人测量信号的控制策略;对比研究了助行康复机器人的人机交互硬件界面设计和人机交互软件界面设计,并预测了人机交互界面设计的发展趋势。     

面向居家场景的股骨干骨折康复辅具设计

目的以股骨干骨折病人居家康复存在的问题为切入点,为辅助股骨干骨折病人在家中进行标准化康复训练,从场景角度对病人居家康复辅具的设计需求进行分析,设计一款适用于居家场景的股骨干骨折康复辅具,同时为康复辅具的家用化设计提供新路径。方法研究中首先分析了医院和家庭两种不同场景的环境特点,通过研究目标用户及典型康复训练场景,提炼了在两种场景中的股骨干骨折病人康复需求。通过列举两种场景中的病人康复需求的差异,分析了在两种场景中康复产品的异同点,从而确定了居家场景下康复产品的设计需求。结果设计了股骨干骨折家用康复训练辅具,该产品可帮助病人在居家场景下进行有效的康复训练,记录病人训练时的数据,进行康复训练方案的推荐,评估病人的康复进展并可将病人的训练和评估数据传递给医生。此外,设计时充分考虑了易用性和舒适性等用户体验要素,能够给病人带来良好的使用体验。结论家用康复辅具的设计,应从场景的角度入手,挖掘居家场景中病人的康复需求,从而定义产品的功能,使产品更加适用于居家康复的需要。     

坐式下肢康复训练机器人人机舒适度设计

目的 从满足脑卒中偏瘫患者或行走能力弱的患者,进行下肢康复训练时对设备的使用需求出发,对传统坐式下肢外骨骼康复机器人进行改造,以增强机器人的人机舒适度.方法 通过主观评价的方法,对坐式下肢康复训练机器人的座椅椅背处于不同角度时不同患者的舒适度进行评价;并借助JACK软件创建第95百分位男性和第5百分位女性虚拟人体模型,利用受力分析模块对虚拟人体第4节和第5节腰椎(L4/L5)进行受力分析,得到座椅相对舒适角度区间;通过分析使用者与设备的人机交互过程,对外骨骼匹配性和显示装置的可视性进行人机工效评估.结论 通过对康复训练机器人的舒适度分析,得出了更加符合人机关系的产品尺寸区间,为康复训练产品舒适度方面的设计提供了有效的方法.     

轮-履-腿复合仿生机器人步态规划及越障性能分析

为了提高移动机器人的越障性能,实现其自主越障,设计了一种轮-履-腿复合仿生机器人,并对其进行步态规划和越障性能分析。首先,以海龟为仿生对象,通过分析其身体结构和稳定机理,设计了机器人的轮-履-腿复合式移动机构和二自由度支腿结构;同时,基于该机器人的结构特征,利用D-H(Denavit-Hartenberg)法建立了坐标系并求解了其支腿的运动学方程。然后,通过观察海龟的爬行过程,将其单个爬行步态周期内的动作分解成放腿、爬行、抬腿和摆腿,并结合运动学模型对机器人进行步态规划,提出了4种仿海龟爬行步态。接着,以机器人的四腿爬行步态为例,利用静力学方法分析了其支腿关节的受力情况,而后通过分析机器人跨越壕沟和攀越台阶的过程,以最大跨越壕沟宽度和攀越台阶高度为指标对其越障性能进行了评价。最后,制作了机器人实验样机,开展了步态实验和越障实验。实验结果表明,该机器人可以利用4种仿海龟爬行步态实现横向移动、纵向移动和原地旋转,且具有很好的越障性能和稳定性;机器人能跨越最大宽度为434 mm的壕沟,攀越最大高度为175 mm的台阶。实验结果进一步验证了所设计的仿海龟机械结构可行,所规划的仿海龟爬行步态合理...     

面向FAHP-熵权理论的装配机器人造型设计优化研究

目的装配机器人在制造业中已得到广泛应用,为进一步丰富装配机器人的造型意象,满足用户需求。方法基于模糊综合评价法(FAHP)与熵权理论对装配机器人进行了造型设计流程分析。首先,依据层次分析法(AHP)构建装配机器人用户需求层次模型并计算各要素初步的权重值。然后,引入熵权理论完成各要素修正权重的分析与计算,将各要素初步权重值与修正权重值进行拟合,形成最终权重并排序,以此为装配机器人造型设计提供重要依据。结论最后以小型全方位装配机器人平台设计实践为例进行具体分析,完成了小型全方位装配机器人平台造型创新设计,并通过模糊评价筛选出最优方案。其实践过程验证了设计流程的可行性,并提供了更好的产品造型意象。     

老龄服务机器人外观形态设计的眼动评价

目的 在人口老龄化进程加快,老年人智能产品市场发展迅速的背景下,探索老年用户对服务机器人外观形态的情感偏好。方法 眼动评价是研究老年人视觉、情感认知的主要方法,以65岁为基本年龄的老年用户为对象,选取市场上现有的真人型、仿动物型、拟人型、拟物型4类老龄服务机器人的正面图片作为刺激材料,15名健康老年人作为被试者,以眼动追踪为主、主观问卷及心电为辅,3种测量手段相结合的方式进行实验,深入探讨被试者面对不同服务机器人外观形态设计要素时的生理及心理特征。结论 结合3种测量数据可知,老年用户对服务机器人头部形态的关注度更高,黑色更贴合老年人视觉的感官偏好,且真人型服务机器人外观形态更受欢迎。