下肢外骨骼机器人研究现状及发展趋势

外骨骼机器人是可以穿戴在人身体外部的人机一体化机械结构,它与穿戴者一起行走,为其提供助力和保护。详述了下肢外骨骼机器人在各领域的应用,并分别列举各领域的应用实例,分析了下肢外骨骼机器人在设计过程中要解决的关键技术,介绍了外骨骼机器人几种不同的驱动方式,并进行对比分析其优缺点,对下肢外骨骼机器人技术的发展趋势进行预测。     

一种可穿戴下肢外骨骼机器人的结构设计与仿真

针对外骨骼机器人灵活性不高、运动范围不足的问题,根据人体下肢的运动特点及骨骼结构,采用仿生学原理设计了一款具备高度灵活性且能助力人体下肢运动的下肢外骨骼机器人,并详细说明了其主要关节的机构设计原理。利用D-H参数法对下肢外骨骼机器人进行了运动学建模,并做出了正运动学求解,为机构设计提供了理论上的依据。运用SolidWorks软件对下肢外骨骼机器人进行了三维建模仿真,并将该模型导入ADAMS软件进行了运动学仿真分析。结果表明,机构模型设计合理,对实物模型的建立与控制模块的研究具有指导作用。     

基于纺织材料的柔性外骨骼机器人研究现状

柔性外骨骼机器人凭借其便携、高效、轻量化的特点逐渐成为可穿戴机器人领域的研究热点。为了进一步探讨纺织材料与柔性外骨骼机器人的关系,首先从外骨骼机器人的应用需求出发,对刚性和柔性外骨骼机器人的优缺点及适用人群进行分析和对比;然后详细综述了涉及纺织材料的柔性外骨骼机器人的发展现状,介绍了可用于柔性外骨骼机器人的新型纺织材料;最后围绕人体运动信息检测技术、绑缚系统的安全性与舒适性以及功能性纺织技术等方面对柔性外骨骼机器人关键技术进行分析。指出纺织材料在柔性外骨骼机器人的研发与制备方面具有不可或缺的作用。     

基于柔性应变传感器的人体下肢运动监测分析

针对可穿戴智能纺织品对于柔性可拉伸传感元件的需求,探讨柔性应变传感器在人体运动监测领域的可行性。以下肢跑步运动为例,选取大腿前中、大腿外侧偏上以及膝上3个位置放置柔性传感器,对跑步运动进行监测,利用传感器采集到的应变-电阻变化信息获取人体下肢运动状态。运动测试结果表明,随着人体跑步运动速度的变化,柔性传感器产生不同的拉伸变形,传感器应变-电阻变化与实际体表拉伸产生的形变趋势相同,其中放置于不同位置上的传感器产生的电阻变化差异能够较好地用于表征人体下肢运动强度、运动周期数等。完成了智能跑步运动裤的基础原型制作,并验证了可穿戴式柔性传感器用于人体下肢运动监测的可行性。     

体感交互式拟人手臂机器人

针对目前人体动作同步机器人造价高,使用过程繁琐,需要穿戴多种传感器设备等缺点,设计并研制了一种不需要穿戴传感器的人体手臂动作同步机器人。介绍了机器人的结构和系统组成,给出了Kinect读取和共享数据以及转换为机械臂可用数据的方法,设计PID结合PWM脉宽调速的控制驱动模块,完成了机械臂控制系统的软件。结果表明该人体动作同步机器人在未经培训的操作者指挥下,能够从不同初始位置完成人类肢体动作发出的指令,并且精度较高。这一研究可为无传感器肢体交互智能机器人研制提供参考。     

面向柔性外骨骼机器人的纺织材料研究现状

基于纺织材料的柔性外骨骼机器人有效解决了刚性外骨骼机器人顺应性差、笨重、穿戴舒适性差等问题。文章介绍了柔性外骨骼机器人的发展现状,重点介绍了主要的驱动结构（包括线驱动、气动肌肉和液压驱动等）,柔性外骨骼机器人主要采用的纺织材料（形状记忆材料、电活性聚合物、碳纤维和水凝胶材料等）,并剖析了纺织材料在柔性外骨骼领域应用所面临的困难,并提出了今后的发展方向。     

一种活立木攀爬机器人的设计与实现

针对林业领域高空作业劳动强度大、危险系数高等问题,开发一种基于ATmega 128处理器的活立木攀爬机器人。通过机械结构、工作原理、控制器的硬件组成和软件设计四个方面阐述了机器人的实现方法,旨在说明其可实现负重攀爬活立木,且具备较强的负重攀爬能力和稳定的运动特性。经验证,本文设计的活立木攀爬机器人可完成承载设备和攀爬任务的工作。     

无动力柔性下肢外服结构设计研究

文章通过对现有可穿戴下肢外服对比分析研究,基于人体解剖学、人体生物力学、人体与服装结构的关系,在相关面料测试的基础上,设计并实现了一款可穿戴柔性助力外服原型。对整套装置的助力效果进行评估分析发现,其助力效果低于正常能耗的3.59%。整套外服设计和现阶段研究可为后续相关工作提供一定参考。     

基于折纸机构的上肢外骨骼

为了进行上肢肌肉损伤类疾病康复,课题组设计了一种辅助运动与支撑的上肢外骨骼机器人。课题组基于刚性折纸的折叠特性设计出具有自锁特性的肘关节外骨骼,采用连杆机构设计肩关节外骨骼;运用D-H法对上肢外骨骼进行运动学分析,得出肘关节折纸机构自锁时的折叠角度和肩关节末端的运动位姿;基于蒙特卡洛算法求解出肩关节外骨骼的运动空间并运用MATLAB将结果可视化。应用结果表明：该上肢外骨骼能有效减轻上肢肌肉在工作中受到的压力且不对上肢运动造成影响。该上肢外骨骼具有结构简单,轻便和易于折叠和自锁的特点,满足使用要求。     

胶原基离子水凝胶的制备及其在传感领域的应用研究

针对目前胶原基水凝胶传感材料力学性能不足和电传感不灵敏问题,以胶原、AlCl₃·6H₂O和丙烯酸为原料,开发了一种兼具超强拉伸性及快速电信号响应能力的胶原基离子水凝胶,并研究了该水凝胶的机械力学、导电和传感性能及其在人体运动监测领域的实际应用。结果表明,由于引入胶原和Al³⁺离子,水凝胶被赋予了超强的拉伸性能(>2000%)和优异的导电能力(0.4 S/m)。同时,该水凝胶可以在203 ms内快速监测5%～300%范围内的拉伸变形。将该水凝胶贴在人体皮肤表面,可精确地监测各种人体运动(如手指弯曲、胳膊运动及人体呼吸等),在智能穿戴及医疗诊断领域显示出了广阔的应用前景。     

仿人机器人运动数据计算与分析

仿人机器人动作设计所需的运动数据的获取,多数采用通过视频采集运动捕捉系统获取人体运动的数据,将所得数据与仿人机器人简化模型进行定向匹配,利用旋量理论中逆运动学计算求解,得到仿人机器人简化模型的关节转角运动数据,为仿人机器人仿真分析和控制提供参数。     

基于跑步运动状态下的皮肤拉伸研究

运动紧身装备有减少运动损伤、提高运动能力作用,令其成为21世纪功能性运动服装的研究热点。本文以跑步状态下皮肤拉伸为研究方向,提出了研究人体动态皮肤拉伸的一种新方法。通过分析跑步循环动作及下肢角度,将跑步循环分解成三个静态动作-前迈、落地、后摆。重点研究了人体在跑步的三种姿势下下肢体表在横向和纵向方面皮肤形变量,通过利用SCAN SMART三维扫描系统,从而得到了不同姿势下下肢不同部位皮肤拉伸数据,初步尝试获得了在跑步运动中皮肤变化的规律,为跑步运动紧身裤结构优化设计提供理论依据。     

考虑5指差异化的外骨骼康复机械手结构设计

针对传统外骨骼康复机械手结构臃肿、适配性低的问题,课题组设计了一款考虑人手5指差异化的连杆滑槽式外骨骼康复机械手。课题组根据人手生物学特征设计了单根手指的结构,并通过分析各关节间的运动关系,构建了单根手指的数学模型;以机械手指关节和人手指关节的旋转中心在运动过程中始终保持重合,及人手运动特性为约束,把机械手指各杆长之和最短作为优化目标,设计了求解该模型的粒子群算法,得到满足康复训练需求且结构紧凑的手指尺寸最优解;在单指优化的基础上改变近端指节长度,保持各手指运动特性不变前提下做出5指差异化设计,经过多次算例计算后得到5指尺寸最优解;最后根据优化结果构建了样机模型,并对模型进行运动学仿真。仿真结果表明：设计的外骨骼机械手指的运动参数符合设计要求,指间运动轨迹特征符合人手运动规律。该机械手满足康复训练要求。     

可穿戴技术的十大戒律

正可穿戴技术也称为智能服装或电子纺织品,能够对外界环境的变化和人体需求做出相应反应,因此正受到制造商和消费者日益广泛的关注。一些专家甚至预言,智能服装对大众的这种吸引力堪比智能手机。由于服装与人体之间大面积和极亲密的接触,使得可穿戴技术的确显得具有势不可挡的发展潜力。通过真正的可穿戴技术的发展,见证一项服装革新的开始。真正的可穿戴技术中,电子装置与纺织品是集成为一体的,而不仅     

金纳米线负载棉针织物柔性传感器制备及应用

柔性传感器具有稳定性优异、响应迅速、灵敏度高等特点,在智能可穿戴设备上具有广阔的开发前景。为满足可穿戴器件的要求,制备金纳米线,并用金纳米线溶液浸渍处理棉针织物,获得具有较好性能的传感元件。利用铜离子处理后的纱线人工绣制叉指电极,与金纳米线棉针织物复合材料组装成压阻式柔性传感器件,并将其置于人体的不同部位如手指、颈椎等部位,进行人体关节弯曲运动的传感性能测试。结果表明,所制备的压阻式柔性传感器实现了对人体关节运动过程中不同状态的实时跟踪与监测,取得了良好效果,为可穿戴柔性传感器的设计与应用提供了可行性方案。     

一种下肢机械助力服设备的设计

文章设计了一种普通民用和医疗康复用的下肢机械助力服设备,并描述了其发明目的、具体结构和工作原理。文章对于贴合人体的结构进行了改进,使得穿戴者穿着更加舒适,并采用锥齿轮传动从而改变电机放置方向,使得整个设备更为紧凑。在满足助力服助力功能的前提下,突出了轻便、成本较低、能耗较少的特点。     

立面三维可越障清洁机器人系统

针对目前立面清洁机器人壁面吸附能力与越障能力不足的缺点,课题组设计了一种基于4旋翼无人机技术的立面三维可越障清洁机器人机械系统.针对外墙清洁机器人的运动策略及越障策略,采用旋翼吸附的原理,设计了机器人系统结构及机器人本体结构组成;采用无人机技术和升降系统的设计,实现了机器人本体6自由度方向的运动能力;采用无人机技术和履...     

面向上肢的外骨骼驱动器综述

首先阐述了上肢外骨骼研究的背景和意义;接着总结了国内外上肢外骨骼的研究现状,分析了几种典型的上肢外骨骼助力器的特性和功能;然后从机构设计和驱动设计两方面分析了上肢外骨骼机器人的设计要点,再以弹性驱动器为例介绍了仿生驱动器的概念;最后结合人工智能技术,对上肢外骨骼的发展前景进行了展望。     

让人拥有超能力的服装

<正>随着高新科技的不断进步,机械外骨骼等大件产品、各种类型的机器人及智能家居等基础设施的发展为人们的生活工作提供了极大的便捷。然而,仍有一些行动不便人士及老年人被迫长期待在家中,造成营养不足、倍感压力以及增加患疾病的风险。虽然市面上有一些辅助机器人产品可以帮这些特殊群体处理日常事务,但是,目前还没有一款机     

康奈尔大学制造出可拉伸传感器

康奈尔大学的研究人员利用廉价的LED和染料创造了一种光纤传感器,最终制造出一种可拉伸的皮肤状材料,能够检测变形,包括压力、弯曲和应变。该传感器可以参与实现软性机器人系统应用,并可能助力增强现实技术,因为软性可穿戴传感器可以让增强现实用户感受到与现实世界类似的感觉。目前研究人员正致力于将该技术商业化,用于物理治疗和运动医学。