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。     

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.     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

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...     

牵引式下肢康复机器人机构参数优化及轨迹规划

为满足下肢运动功能障碍患者在不同阶段的康复训练需求,针对现有下肢康复机器人训练方式单一的问题,提出了一种可实现卧姿、坐姿训练模式的牵引式下肢康复机器人。首先,根据人体下肢运动机理和仿生原理,设计了一种五自由度混联机构构型。然后,建立了机器人的运动学模型,分别计算了其运动学正、逆解。接着,以人体下肢末端与机器人末端的工作空间重合度为目标函数,采用遗传算法对机器人的机构参数进行了优化,并求得人机系统矢状面内人体下肢的有效工作空间比为0.71。最后,规划了CPM（continuous passive motion,连续被动运动）、圆周运动和螺旋运动等3种康复训练运动轨迹,并根据优化后的机构参数搭建了机器人样机,通过运动捕捉实验验证了机器人结构设计与优化结果的合理性以及轨迹规划的正确性,表明该机器人能够满足下肢运动功能障碍患者的康复需求。     

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。     

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.     

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.     

体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统

针对脑卒中患者因大脑神经损伤而造成的上肢运动功能缺失,结合镜像疗法的机器人辅助训练可通过促使双侧肢协同运动来有效地促进大脑神经元重塑,从而实现运动功能恢复。为此,将镜像康复理论、虚拟现实技术和机器人技术有效结合,提出一种体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统。使用动作捕捉设备采集患者健肢的位姿信息,通过设计人机镜像运动映射算法来映射上肢康复训练机器人的运动轨迹。考虑到康复治疗的柔性需要,该机器人的关节采用基于比例压力控制的摆动气缸来驱动;同时,针对气动系统的特性,设计了PD(proportional differential,比例微分)+速度前馈补偿的轨迹跟踪控制策略,实现了双侧肢协同运动的镜像康复训练。通过对机器人系统样机进行复合运动轨迹规划试验和镜像康复训练试验,验证了该系统在镜像康复治疗中的可行性和有效性。所设计的机器人系统为人体双侧肢协同运动的康复训练临床需求提供了设计思路和实现方法。     

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。