下肢康复外骨骼的步态交互设计研究进展

中国正向深度老龄化社会高速迈进,脑卒中等老年性疾病人群逐年增多,开展面向助老适老的智能产品研究具有广阔的应用前景与重要的学术价值。下肢康复外骨骼是一种与穿戴者肢体交互并为其提供相应运动辅助和训练的人机交互共融智能产品。利用下肢康复外骨骼进行科学有效的康复运动训练,患者的肌力得以增强,脑神经和患肢之间的传递通路得以重建。根据穿戴者的下肢运动功能缺失或减弱程度生成并调整步态以进行安全有效的康复训练,是目前下肢康复外骨骼的研究前沿与热点。针对下肢运动功能障碍导致的行走方式差异化和康复步态规划个性化问题,结合国内外下肢康复外骨骼步态交互设计的研究进展,围绕下肢康复外骨骼步态性能评价标准、步态生成方法、步态控制策略和典型康复应用进行了重点分析探讨。最后总结并对下肢康复外骨骼的步态交互设计未来发展方向进行了展望,为相关研究人员提供参考。     

无动力下肢外骨骼机器人研究综述及发展趋势

无动力下肢外骨骼机器人,可运用于医疗康复、运动助力以及负载作业等场景。系统阐述了无动力下肢外骨骼机器人的发展背景及助力形式;对国内外无动力下肢外骨骼机器人的研究历程进行综述,按多关节和单关节进行分类,重点总结了两类机器人的结构、特点、优劣势以及效能评估等;围绕无动力下肢外骨骼机器人的关键技术与未来发展趋势进行了分析与展望。     

一种基于理想度与粗糙数多属性决策的复杂非线性系统设计方法

针对产品概念设计阶段设计特性及需求的模糊不确定性,提出了一种基于理想度与粗糙数多属性决策的复杂非线性系统设计方法。确定目标技术系统集合与超系统集合,对子系统进行理想化水平求解;构建系统功能结构模型和产品设计特性层次结构图,并基于粗糙数求解权重因子;计算得出设计需求相对评价结果,确定目标子系统复杂性;借助发明问题解决理论消除系统复杂性。下肢外骨骼工程实例验证了该方法的可行性和有效性。     

人体下肢康复外骨骼机器人仿真分析与实验

为了加快人体下肢损伤的康复速度,防止下肢瘫痪者肌肉萎缩,设计了一个高效实用的下肢康复外骨骼机器人。通过研究人体运动机理以及收集人体各关节运动数据,以舒适、高效及适宜不同体型人群为目标建立外骨骼的3D模型,并推导出下肢外骨骼的D-H数学模型公式,建立髋关节,膝关节,踝关节的位姿坐标方程。以ADAMS软件为基础进一步对外骨骼机器人进行关节受力和步态合理性仿真,为实物的搭建提供可行性依据。最后搭建样机实验平台验证外骨骼设计的合理性。     

基于TRIZ的柔性下肢外骨骼设计与研究

为了改善穿戴者使用下肢外骨骼的舒适度,提升产品竞争力,在TRIZ的理论基础上对下肢外骨骼进行了创新设计,根据TRIZ创新问题解决流程,确立下肢外骨骼设计原则,分别利用物-场分析与矛盾分析等创新工具解决下肢外骨骼刚性冲击与驱动器动力非线性输出的问题,得到一款包含助力与缓冲2种工作模式的下肢外骨骼,利用虚拟样机技术对下肢外骨骼进行运动仿真,通过对比仿真结果与人体运动标准数据,验证了设计方案的可行性。     

人体下肢外骨骼的运动分析与仿真

以人体下肢和下肢外骨骼的耦合特性为研究目的,在分析了人体行走的步态特征参数和运动参数的基础上,运用D-H建模方法建立下肢外骨骼运动模型。然后运用仿真软件ADAMS对外骨骼运动模型进行仿真分析。仿真结果验证了运动分析、建模及理论推导的正确性,为下一步研究下肢外骨骼打下了理论基础。     

面向人体运动需求的人机闭链下肢康复外骨骼设计

患者进行康复训练时,外骨骼需满足人体康复训练需求,并保证人体各关节具有确切的运动.针对传统外骨骼髋关节自由度低及人机协调运动时产生运动偏差问题,提出一种含髋关节6连杆机构的下肢外骨骼,并对其人机接口进行优化设计,建立了人机闭链外骨骼优化模型.通过建立外骨骼单侧腿运动学模型,求解其运动学正解、反解、运动空间并检验外骨骼人机相容性,运用ADAMS软件对人体-外骨骼传统模型和优化模型进行了运动学仿真与分析.结果 表明:外骨骼末端运动空间包含人体末端运动轨迹;人体各关节运动曲线与理论期望曲线运动趋势基本相同,优化后的外骨骼明显减小人机运动偏差.研究表明,优化外骨骼有助于更精准控制下肢各关节运动,补偿人体各关节的运动偏差,证明人机闭链外骨骼设计的合理性.     

下肢外骨骼助力机器人的设计与跟随控制研究

下肢外骨骼是一种平行穿戴于人体下肢外侧的装置,为了应对人体康复训练等问题,对下肢外骨骼进行基本结构设计。将人体下肢步态周期分为单腿支撑和双腿支撑两种行走模式,分别进行了下肢外骨骼的动力学理论计算,计算出关节力矩。设计了外骨骼PD闭环控制系统,并基于外骨骼动力学模型对控制系统进行仿真试验,验证了算法和动力学模型满足实验需求。同时也通过下肢外骨骼样机实验验证了下肢外骨骼具有较好的跟随效果,证明了设计机构的合理性,达到助力和机构设计的初始目的,为后期研究下肢外骨骼的运动控制提供了数据支持与理论基础。     

基于语义差分法的残疾人助行器设计研究

残疾人助行器是辅助下肢功能障碍的残疾人行走的工具。由于在设计中缺乏对残疾人心理需求的研究,产品功能与形态设计不能很好地满足用户需求。基于语义差分法对残疾人助行器设计进行了研究,了解了目标人群的生理特征与心理需求模型,建立了感觉词语资料库,通过语义差异量表进行数据搜集,运用因子分析法进行数据统计分析,以分析结果为依据进行残疾人助行器造型设计,使产品更加符合残疾人的需求,设计方法与产品方案为弱势群体产品设计研究提供参考。     

可穿戴型下肢外骨骼助力机器人设计与研究

为拓展人体下肢关节机能,完成特定环境下的人机协同作业任务,介绍了一种可穿戴型下肢外骨骼助力机器人。在研究人体行走特点和下肢助力需求基础上,实现了外骨骼的机械结构设计与建模计算,针对外骨骼作业特点设计了电液伺服助力系统;通过虚拟样机运动仿真与外骨骼行走实验,匹配了驱动器与外骨骼的运动范围并优化,通过外骨骼辅助人体辅助站立实验验证了外骨骼与人体下肢运动范围匹配性及助力效果等,实验结果表明外骨骼助力机器人设计可行。     

下肢外骨骼助力机器人关节驱动设计及试验分析

针对人体下肢关节特点与助行要求,设计了外骨骼机器人关节结构;通过ADAMS软件仿真,分析了外骨骼机器人水平助行过程中关节功率配置需求,根据关节需求设计了外骨骼电液伺服驱动系统;为满足外骨骼机器人对人体下肢关节助力及柔顺性要求,提出了基于关节误差估计的PID控制方法。详细介绍了外骨骼机器人下肢关节结构的运动形式与技术参数,优化配置了关节结构的运动范围与驱动行程,对该机器人进行了运动学分析并通过外骨骼的典型动作进行验证;划分了外骨骼助行过程中步态与关节驱动映射,给出误差估计与补偿PID控制的具体参数;分别从关节跟踪与助力功率的角度,量化分析、对比了基于关节误差估计与常规PID两种控制方法的助力指标参数。试验结果表明,所设计外骨骼关节与驱动系统可实现穿戴者助力行走;对比常规PID控制,抑制了关节驱动控制输出区间的不连续,改善了关节跟踪误差,提升了助力效果与柔顺性。     

脑瘫儿童康复助行外骨骼机器人研究与展望

脑瘫是造成儿童行走功能障碍的最常见疾病。 下肢外骨骼在成人脊髓损伤或中风患者康复助行方面已有成熟应用,但 针对脑瘫儿童步态改善与行走效率提高的研究相对较少。 为了从技术与临床角度促进研究人员对脑瘫儿童康复助行外骨骼的 理解,本文首先分析了脑瘫儿童外骨骼相比成人外骨骼研究面临的特殊问题;其次根据下肢驱动关节数量对脑瘫儿童康复助行 外骨骼进行分类并综述其研究现状,重点阐述了其机构特点、控制策略、临床表现,分析了单关节与多关节脑瘫儿童康复助行外 骨骼的优缺点;最后探讨了脑瘫儿童康复助行外骨骼的发展趋势及面临的挑战。     

基于用户需求导向融合模型的下肢外骨骼设计

为有效提升下肢外骨骼设计过程中机会把握、需求提取和技术实施的可行性，以及患者需求的满意度，提出一种用户需求导向融合模型，为设计下肢外骨骼产品提供指导。在该融合模型框架下，通过社会-经济-技术分析模式对潜在市场机会进行定位；结合层次分析法提炼用户核心需求并计算权重；通过质量功能展开法分析存在于工程因素间的矛盾；利用发明问题解决理论描述、判别并解决上述矛盾，并转化为设计建议。得到3对技术矛盾和对应的3种解决方式，运用融合模型法实现了下肢外骨骼的创新设计，从多理论融合的角度为用户需求的满足提供了新思路。     

下肢康复外骨骼机器人结构拟人设计与运动学分析

下肢康复外骨骼机器人是一种可以辅助脑卒中导致运动功能障碍患者肢体运动和康复训练的机器人。基于人体下肢生物力学特点,提出了下肢外骨骼机器人设计方案,研究了下肢康复外骨骼机器人的机构设计原理及过程。针对外骨骼髋关节的关键零件设计进行详细阐述,研究了准拟人化设计的比例参数,使用了拓扑优化方法对膝关节电机架进行轻量化设计。基于D-H法分析了外骨骼机构的运动学关系,得到坐标转换矩阵。通过ADAMS软件进行运动学仿真,验证了运动学分析的可靠性。     

面向下肢助力外骨骼的脚底测力系统研究

要实现下肢助力外骨骼机械腿对穿戴者的运动跟随及有效助力,通过检测穿戴者脚底力变化信息进行运动意图识别是非常关键的环节。针对下肢助力外骨骼机器人的控制需求,提出了一种鞋垫式脚底测力系统。进行了脚底测力系统本体设计及传感器信号调理电路的设计,并进行了脚底测力系统的实验研究。设计出的脚底测力系统应用于下肢助力外骨骼机械腿控制中,实验结果表明,脚底测力系统检测出的足底压力变化信息能很好的实现外骨骼机械腿的控制。     

膝关节康复机械腿的摆动控制研究

针对膝关节康复外骨骼的摆动训练需求,对外骨骼机械腿的人机交互控制策略进行了研究,并对现有下肢康复外骨骼的控制策略进行了归纳,提出了一种基于导纳原理的等效惯量补偿控制方法。首先,根据人体膝关节康复训练具有周期重复性的特点,在等效惯量补偿控制方法中引入自适应频率振荡器,从而在穿戴者摆腿运动中获取了稳定的频率及相位运动模式信息;然后,对穿戴者的下肢关节力矩进行了估计,生成了一个同周期的助力力矩,且在相位上和穿戴者下肢的肌肉力矩趋于同步;最后,对膝关节外骨骼机械腿进行了补偿控制及先慢-后快-再变慢的运动控制实验研究。研究结果表明:外骨骼机械腿能模拟康复运动所需模式,并拥有良好的摆动效果。     

下肢动力外骨骼设计分析与实验

为有效解决下肢肌肉功能退化及中风偏瘫等疾病导致的老年人下肢运动功能障碍,从康复医学的角度,分析了康复运动对下肢功能障碍患者恢复的重要性,结合人体生理结构,建立了人体肌骨模型,进行了肌骨仿真分析。为了准确判断患者的运动意图,设计了3种外骨骼专用传感器。在此基础上,提出了力感知助力关节结构方案,并设计了下肢动力外骨骼整体结构,进行了人机耦合运动学仿真分析。在结构设计的基础上,设计了下肢外骨骼的硬件及电气系统。为了验证理论研究的正确性,加工了外骨骼实验样机,进行了相关实验。实验结果说明,设计的外骨骼专用传感器可以准确获取相应信号,助力关节可以提供较大的关节助力,设计的下肢动力外骨骼能够准确判断患者的运动意图,可以长时间稳定安全地进行平地行走及斜坡行走。     

有源外骨骼机器人外观造型发展趋势

有源外骨骼机器人是一种为人的运动提供助力的可穿戴式动力机械装备,近几年在军用和民用领域的用户需求激增,技术水平发展迅猛;人们对其外观造型的提升有迫切需求。本文通过追溯有源外骨骼机器人外观造型的发展历程,概括了国内外已有和公开在研的有源外骨骼机器人外观造型现状。分析有源外骨骼机器人主要功能结构对造型的显著作用;对比不同使用领域的用户对外骨骼造型及审美的需求;例证影视娱乐中的外骨骼形象对真实外骨骼产品产生的影响。梳理近80年来有源外骨骼机器人外观造型的发展变化。分析有源外骨骼机器人外观造型的发展趋势,明显趋势是:材料的轻量化和柔性化、结构的仿生化与拟人化、设计风格的个性化及品牌化。     

关怀设计理念在残障人士专用产品设计中的应用

本文以下肢残障者社区专用保洁车设计为例,用关怀设计理念对该产品的功能、外观等进行详细阐述,以鼓励设计师从社会责任意识出发,把人性化关怀设计融入残障人士专用产品市场,使产品不仅能满足普通人也能满足残障人士的使用需求。     

下肢外骨骼助行机器人研究现状及发展趋势

随着科学技术的进步和人们对于增强自身能力的渴望,下肢外骨骼助行机器人已成为国内外"人机一体化"的一个重要研究方向。根据研究工作积累和文献资料调研,总结了国内外主要研究机构对于下肢外骨骼助行机器人的研究现状,分析了下肢外骨骼助行机器人研制需要解决的关键技术,对下肢外骨骼助行机器人的发展趋势进行了预测。研究工作表明:下肢外骨骼助行机器人在穿戴性、智能化以及便携性等方面都有了突破性的发展,但是应当加强对微型能源、轻质便携材料、多功能系统等的研究和开发,才能广泛应用于军事、科考、旅游、交通、救灾等领域。