膝关节外骨骼综合测试系统设计与实现

膝关节外骨骼系统是一种人体膝关节助力设备,其主要作用为可以使穿戴者在行走、奔跑、爬坡等运动过程中获得膝关节部位的助力扭矩,提升穿戴者的行动及负载能力;根据膝关节外骨骼系统的产品特点,对膝关节外骨骼的测试需求进行了研究,得到常规数据、助力效率、舒适度、寿命测试、关节驱动特性等5种测试需求;后基于测试需求,对一种膝关节外骨骼综合测试系统进行了架构设计,并对各种测试科目包括常规数据测试、助力效率、穿戴舒适度、使用寿命、关节驱动特性等进行测试方法研究.经实际应用试验表明,该测试系统可满足膝关节外骨骼设备的测试需求.     

轻量型柔性下肢助力外骨骼的设计及性能实验

针对传统的外骨骼机器人存在的刚性结构、自重大、柔顺性差、穿戴舒适性差等问题,设计了一种轻量型柔性下肢助力外骨骼.该外骨骼通过鲍登绳装置和弹簧装置实现对踝关节的柔性助力,利用驱动系统的"单轮双槽"绕线盘实现单个电机对双腿的驱动,其稳定性通过有限元分析得以验证.在外骨骼的控制策略上,本文在电机系统的传统三环PID(比例-积分-微分)反馈控制的基础上,提出了基于电机转角和转速的PID控制策略和基于踝关节力矩的PID控制策略,通过Simulink和Simscape工具仿真验证了控制策略的可行性.最后,搭建了一台外骨骼样机并进行了性能实验,样机质量仅为3.095 kg,在本文设置的实验条件下,穿戴该外骨骼行走时人体代谢降低了15％,验证了该外骨骼设计的合理性,也表明该外骨骼相比传统外骨骼具有更好的助力效果.     

基于人机偏差模型的自对齐髋关节外骨骼解耦设计与计算

针对辅助外骨骼,分析了单自由度人机交互中的人机偏差因素,建立人机偏差变量模型,运用自对齐机构设计理论设计外骨骼机构,以提升人机耦合性能.首先,深入分析了单自由度人体生物关节,建立了人体简化模型+人机偏差变量模型的外骨骼设计模型参考.然后,运用自对齐机构设计理论和多自由度关节解耦方法,提出了自对齐人体运动的外骨骼机构设计思路与方法.最后,以下肢髋关节为对象,将髋关节外骨骼解耦为3个单自由度关节,设计了髋关节助力外骨骼的运动形式,并进行了人机耦合下的外骨骼动态静力驱动计算.结果显示,该运动设计使人机偏差交互力变得可控,从理论上证明了髋关节外骨骼机构能够跟随下肢运动并提供自适应人体的驱动助力.     

基于实时意图识别的外骨骼机器人步态切换

根据外骨骼穿戴者的实时运动意图,切换外骨骼机器人的行走步态,是外骨骼机器人研究热点问题之一.针对外骨骼机器人能够根据穿戴者的运动意图控制步态切换问题,提出采集人体表面肌电信号进行解码,通过BP神经网络识别穿戴者的运动意图,实现外骨骼进行步态规划,利用关节角度与足底压力的相关性以及重心轨迹,对所规划的步态的稳定性进行分析,依据不同的运动意图完成步态进行实时切换,验证了基于实时意图识别控制的外骨骼步态切换的可行性.     

基于柔性驱动关节的下肢外骨骼双模态切换控制

为了提高外骨骼关节柔性以及穿戴舒适性,设计了基于柔性驱动关节的可穿戴式下肢外骨骼,同时针对下肢外骨骼在控制的不同相位阶段其侧重点不同的特点,提出基于双模态切换的混合控制策略.首先,针对下肢外骨骼关节的柔性问题,设计了基于双平行弹簧的串联弹性体,并将其安装于外骨骼关节驱动模块,通过双编码器实现关节力矩和位置信息的反馈.然后,分析外骨骼在不同步态相位的运动特征,提出了双模态切换控制策略,即支撑相采用自适应阻抗控制算法来提高稳定性和抗冲击能力,摆动相采用自抗扰-终端滑模控制算法来提高响应速度和跟踪精度.最后,通过控制仿真和主被动跟踪实验,验证了本文算法相较于传统PID(比例-积分-微分)和自抗扰控制算法的优越性.被动跟踪实验结果说明当关节误差收敛范围在土5％时,收敛时间可达0.28 s;在主动跟踪实验中,实验人员穿戴外骨骼时髋关节和膝关节最大均方根误差分别为0.47°和1.28°,说明本文控制算法可以实时跟踪人体运动意图,满足人机交互柔顺性需求.     

下肢外骨骼研究进展及关节运动学解算综述

随着传感融合、移动计算、智能驱动等技术的发展以及研究者对人体运动中下肢重要生物力学功能认知的逐步深化,下肢外骨骼机器人作为一种与下肢并联,能为穿戴者行走助力的可穿戴智能设备愈发受到世界各研究机构的重视。本文根据下肢外骨骼的用途和结构详细综述了近年下肢外骨骼的研究进展,并借此对下肢外骨骼的未来发展进行展望。并针对下肢外骨骼在实时运动学检测与控制上对小型传感器的迫切需求,提出一种能够用于控制下肢外骨骼的基于惯性测量单元的人体下肢关节运动学测量与解算技术,在基于惯性测量的单自由度关节角度结算上得到较好结果。     

蹲起时助力外骨骼驱动及人机耦合作用驱动补偿

针对由于关节驱动特性不明而造成助力外骨骼蹲起不顺畅的问题,为增强人机交互性及助力外骨骼蹲起可靠性,对蹲起时助力外骨骼的关节驱动及人机耦合作用下的关节驱动补偿进行了研究.通过人体数据采集实验及非线性数据拟合,得到各关节运动学方程.建立了蹲起时的人机耦合动力学模型,研究了关节驱动特征,发现膝关节的驱动特征及其波动性远大于踝关节和髋关节;膝关节驱动力矩与角加速度耦合性强;只在蹲起前半段,系统重心迁移对膝关节驱动有较大影响.根据关节驱动特征的研究结果,膝关节采用双作用线性液压缸进行驱动,与此同时人机耦合作用力可以补偿踝关节部分驱动力矩及髋关节全部驱动力矩.     

基于多模式弹性驱动器的膝关节外骨骼机械腿

基于人体行走过程中下肢肌肉的运动机理,提出一种多模式弹性驱动器,并应用于膝关节外骨骼中实现膝关节外骨骼机械腿的刚性驱动及柔性驱动.首先,对多模式弹性驱动器及膝关节外骨骼进行机构设计,并分析驱动器运动模式.其后,进行驱动器的动力学建模,并分析弹性参数、阻尼参数及负载对驱动器输出带宽的影响,针对弹性驱动器特征进行了基于运动状态机的控制策略研究.最后,根据控制策略对膝关节外骨骼样机实施运动控制.实验结果表明,膝关节外骨骼能根据运行状态机实现有效控制,从而验证了弹性驱动器设计的合理性.     

外骨骼离线参数化上楼梯步态规划

为扩大脊椎损伤患者在外骨骼机器人辅助下的活动范围而不仅仅只是起坐、站立和行走,提出一种离线参数化上楼梯 步态规划算法,该算法基于惯性测量单元检测穿戴者运动意图,基于足底压力传感器计算整个系统的零力矩点（ZMP） 以确 保上楼梯过程的安全性。 该算法根据人体大腿、小腿长度、楼梯高度和宽度等参数规划出关节的最优空间位置轨迹, 然后通 过逆运动学求解关节角度轨迹,该算法可为不同的穿戴者生成适应于不同楼梯尺寸的步态轨迹, 最后 3 名实验者穿戴外骨骼 在楼梯高度 18cm、宽度 26cm 的楼梯上实验,外骨骼按照规划的步态轨迹帮助穿戴者多次完成上楼梯任务,规划的楼梯尺寸 与实际测量的尺寸误差在 2%以内,通过实验验证了该算法的有效性与实用性。     

基于运动预测的髋关节外骨骼实时助力控制

针对下肢肌力衰退群体日常出行需求,设计了可穿戴的髋关节外骨骼,实现对人体日常步行意图的精准感知,并对髋关节的屈曲/伸展动作提供实时助力.为了实现频繁走停条件下的助力时机准确性和规律步行条件下的助力无延时,提出了一种基于混合振荡器的运动预测模型,将步态数据从时域转化为相角域,实现人体步行步态的预测和步态周期的分割,通过相角在线计算助力矩,对髋关节外骨骼进行助力控制.为了消除大助力矩下产生的抖动,对大腿杆上的惯性测量单元进行了解耦布置设计.通过跑台步行实验和自由步行实验,分别验证了髋关节外骨骼对于瞬时速度变化、均匀速度变化的适应性,以及在走停切换、自由随意步行时的适应性和有效性.同时检测和对比人机交互力,验证了带预测能力的自适应振荡器模式能提供更好的助力体验.实验结果表明,基于混合振荡器模型的助力控制策略能够兼顾走停切换条件下非周期步态的助力和规律步行条件下的类周期无延时助力.