基于人机耦合模型的上肢康复外骨骼闭环PD迭代控制方法

针对多关节上肢外骨骼重复性康复训练非线性求解困难问题,提出了一种闭环PD迭代学习控制方法。基于人体工学确定了六自由度上肢外骨骼康复机械臂的参数、自由度配置与关节运动范围。以人机交互力为耦合方式,建立了基于牛顿-欧拉法的人机耦合模型,完成了人机耦合动力学模拟分析。基于迭代学习控制理论提出外骨骼康复机械臂的闭环PD迭代学习控制方法,通过建模仿真分析了肩关节/肘关节迭代学习控制的轨迹误差、人机交互力和驱动力矩。第三次迭代后的轨迹误差小于0.05 rad,PD迭代学习控制器的输出对系统控制进行了有效的补偿,提高了系统状态的稳定性。研制了六自由度上肢外骨骼康复机械臂样机,开展试验测试。试验结果表明,随着控制试验在迭代域上的运行,系统的输出向着期望的系统状态转化,所提出的迭代学习控制算法可以提高上肢外骨骼康复训练重复性运动的控制精度,进而提高人机交互性能。     

外骨骼助行机器人的人机耦合运动特性

利用Motion Analysis三维动作捕捉分析系统,实时记录人体在平地行走的运动过程,获得了步态参数,通过分组对比,研究了老年人的行走特点。根据老年人的运动特性,设计了一种老年人外骨骼助行机器人,建立了穿戴者与外骨骼助行机器人的人机耦合模型,研究了人机耦合运动特性,为外骨骼助行机器人的耦合仿生设计提供了运动学基础。     

人机携行外骨骼双腿交替多相行走建模与仿真

为了研究人机携行外骨骼行走过程中多相交替过程下运动学参数的变化规律,基于D-H坐标系对外骨骼建立运动学模型,运用Newton-Euler递归公式计算出行走过程中的运动学表达式。为实现外骨骼与人体的携行运动,通过位移姿态传感器对人体行走过程中各关节参数进行了测量与分析。基于西南交通大学第三代人机携行外骨骼为研究对象,在Adams环境中建立虚拟样机,以人体运动参数为驱动,对外骨骼进行运动学仿真,并以双腿多相交替过程为切入点,对仿真结果进行了分析。结果可为人机携行外骨骼驱动的测控系统提供可靠依据。     

可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统安全性设计评价

可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统的安全性主要取决于系统的机械结构设计、驱动器的选择和布置、保护措施和安全控制策略的设计。为了提高系统的安全性及保护操作者与周围人群的安全,通过对可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统设计、使用、维护过程中的要点进行分析,提出了系统安全性评价方法,为今后柔性外骨骼人机智能系统的发展提供了参考。     

下肢外骨骼机器人人机约束模型建立及分析

设计了一种下肢助力外骨骼机器人,建立了人体下肢与外骨骼机器人的人机系统模型,提出两种人机约束方案,并建立了D－H坐标系,根据同一约束点在不同坐标系变换后相对于原点距离不变的原理,建立了各人机约束方案的约束方程,从理论上分析了下肢外骨骼机器人对人体运动的跟随效果。分析结果表明,通过这种方法可以得到不同约束情况下下肢外骨骼机器人对人体运动的跟随情况,合理设计人机约束方案,能够实现下肢外骨骼机器人对人体运动的同步跟随。     

基于仿生肌肉驱动器的腕关节康复外骨骼的 设计与仿真

基于生物肌肉的微观结构及运动机理,提出了一种机械类的电磁收缩仿生肌肉驱动器,并将其运用在腕关节康复外骨骼中。首先,进行仿生肌肉驱动器和腕关节康复外骨骼的机构设计;其次,进行基于仿生肌肉驱动器的腕关节康复外骨骼机构的运动学仿真分析,研究不同串、并联情况下驱动器对腕关节康复外骨骼的性能影响;最后,验证了设计的腕关节康复外骨骼在腕关节康复应用中的可行性。     

航空装配抗振外骨骼减振器参数设计

利用双直角坐标法求解抗振外骨骼辅助铆接的人机耦合力学模型,根据拉格朗日原理建立铆接工具水平方向和垂直方向的运动微分方程,得到影响抗振外骨骼减振性能的减振器参数.基于人机耦合力学模型和现有外骨骼样机参数,以标准正交表L16(45)设计5因素4水平的正交仿真试验,分析减振器参数对抗振外骨骼减振性能的影响.ADAMS仿真试验...     

OpenSim对跳跃动作上下肢肌肉协调性的仿真分析

本文基于OpenSim建立了一个包括上下肢在内的人体整体骨骼肌肉仿真模型,通过Vicon红外摄像系统、Kistler三维测力平台以及遥测肌电对摆臂与背手两种原地纵跳动作进行同步测试,并结合逆运动学、逆动力学等仿真工具寻求上下肢肌肉协调工作提升原地纵跳动作效果的实证。结果表明：本文所建立的人体整体肌肉骨骼仿真模型具有高度可靠性,分析得出摆臂原地纵跳动作中三角肌前束对重心的提高贡献最大。研究结果可为将来上下肢助力外骨骼的设计与研究提供帮助。     

携行式上肢抗振外骨骼减振器参数设计

针对手持振动工具对人体的负面影响和现有减振措施不足,提出一种轻量化、高舒适性的携行式上肢抗振外骨骼作为新型个体防护装备,并对外骨骼核心部件减振器进行参数设计,提高了减振性能.利用直角坐标法求解机构的运动方程,根据拉格朗日原理建立人机耦合系统运动微分方程,分析得到影响抗振外骨骼减振性能的关键参数.基于人机耦合力学模型和外骨骼初始样机参数,使用Minitab以标准正交表L27(313)设计考虑交互作用的5因素3水平正交仿真试验.ADAMS仿真试验结果表明:各因素及其部分交互项对合力F的影响显著性排序为l2/l1>l2/l1×c1>l2/l1×c2>c2>c1>c1×c2>k2>k1;减振器安装位置l2/l1是影响减振性能的主要因素;结合交互作用分析二元图,试验范围内因素最佳水平组合为l2/l1(1)k1(1)c1(3)k2(1)c2(3).最佳水平组合下外骨骼达到较好的减振效果.     

下肢外骨骼人机耦合粗糙度的评价方法

为了更好的评价外骨骼的人机工效,在现有外骨骼样机的基础上,提出一种基于三维运动捕捉系统的下肢外骨骼人机耦合粗糙度的评价方法。该方法利用运动捕捉系统获得穿戴者髋关节和膝关节的轨迹变化,建立下肢外骨骼人机耦合粗糙度的模型,从而在一定程度上定量地表现外骨骼的人机工效。同时通过引入高斯滤波,实现对模型中线的获取,提高了模型的正确性。实验结果证明,该方法可以获取穿戴者与下肢外骨骼在3种步态时的不匹配度,可以作为外骨骼综合评价的参考。     

基于人机耦合思想的信息产品设计方法研究

分析了以用户为中心的设计思想在信息产品设计中的重要性,讨论了优秀信息产品设计中用户认知与信息界面存在的耦合关系。从用户认知的角度,提出了针对信息产品设计的人机耦合理论。在认知过程中,用户隐性知识与信息产品中表达的显性知识存在着映射关系,通过考虑映射关系实现信息产品编码设计中的人机耦合,可以实现更好的人机交互。通过案例及试验验证,证明了人机耦合思想指导下的信息产品设计方法的可用性。     

基于人机系统虚拟样机模型的外骨骼系统控制研究

为了更好地进行携行外骨骼系统设计,通过ADAMS建立了人机一体化虚拟样机模型。采用仿真对二者行走过程进行了分析比较,验证了所建立模型的正确性。通过对人机外骨骼模型的ADAMS与Matlab的联合仿真,将虚拟力矩控制应用于虚拟样机模型实现了外骨骼系统的携行,为进一步深入研究外骨骼的控制方法,实现复杂运动控制打下基础。     

基于肩部协同运动特征的康复外骨骼设计与人机相容性分析

受盂肱关节浮动转动中心的生理运动学属性影响,在基于外骨骼的肩部康复中,人体与外骨骼的兼容性将直接影响康复的效果甚至危及患者的安全。通过分析肩部协同运动特征,提出一种结构紧凑的顺应性肩关节自对准机构,并能够实现独立的锁骨和肩胛骨协同驱动锻炼。基于建立的人机闭链系统,提出4种完整的外骨骼构型,以肩部外骨骼运动空间灵巧性为评价标准,确定了最佳构型,设计并开发肩部外骨骼原型样机。穿戴性能测试试验结果表明,前伸和外摆时人机耦合界面相互作用力从20 N和35 N降低至1 N以下,人体自主外展轨迹和外骨骼穿戴对应点外展轨迹具有良好的吻合性,所提出的顺应性肩部康复外骨骼具有良好的人机相容性。     

基于刚柔耦合系统的人体外骨骼研究

人体外骨骼结构由整体刚性部件和众多液压作动筒组成,为使人体外骨骼具有更好的减震和缓冲功能,在外骨骼结构中还增加了许多弹性阻尼部件。将整个人体外骨骼结构视为刚性部件与众多柔性部件的耦合结构。以60 kg为负重载荷,在ANSYS中创造性地利用刚柔耦合方式建立人体外骨骼结构有限元模型,并分析该外骨骼结构在行走过程中的受力情况和振动模态,获得各姿态应力值及各阶振型、自振频率。经分析得,外骨骼结构除踝关节结构需加强外,其余部件满足静力学强度要求,模态分析结果显示该外骨骼结构避开了人体运动时前后摆动的频率,但易于在左右摆动时产生共振。     

助力型外骨骼行走模式下多关节动力分配仿真分析

助力型外骨骼是一种人机高度结合的复杂机械结构。为了研究外骨骼在行走模式下负重50 kg时各关节所需驱动力矩以及功率变化规律,本文以西南交通大学第三代助力型外骨骼为研究对象,建立外骨骼模型,运用拉格朗日方程对外骨骼进行动力学分析。为实现外骨骼与人体的携行运动,通过姿态传感器对人体行走过程中关节角的变化规律进行了测量与分析,并将其作为驱动函数对ADAMS环境中的外骨骼虚拟样机进行动力学仿真,得出各关节驱动力矩变化曲线,并拟合出各关节功率曲线。所得结果增加了人机携行性以及结果的可靠性,为助力型外骨骼的驱动控制提供了参考依据。     

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。     

手臂外骨骼控制的仿真研究

针对手臂外骨骼机器人,本文建立了手臂位置运动学方程的正解及逆解,并利用MATLAB软件中的 Simulik和 SimMechanics设计工具建立了系统的控制模型,进行了轨迹控制仿真研究;为实际的康复医疗及机构的控制提供了重要数据.     

外骨骼机器人结构设计与动力学仿真

对外骨骼机器人进行了结构设计,重点介绍了外骨骼机器人的驱动器设计和工作原理。通过ADAMS动力学仿真,得到了外骨骼机器人髋关节、膝关节的动力学参数,分析了仿真结果的正确性,为外骨骼机器人的结构设计提供了可靠的依据。     

下肢外骨骼仿生驱动器的设计与仿真

提出了一种新型仿生驱动器设计方案,用于下肢外骨骼的刚性驱动和柔性驱动模式切换,模拟人体步行过程中下肢肌肉的工作特性。首先,基于仿生特性和助力需求,设计驱动器对应的机械结构,同时介绍了驱动器工作模式;对驱动器进行动力学建模,分析不同的系统参数对系统的影响;最后,建立虚拟样机模型,利用ADAMS进行运动学仿真,仿真结果表明驱动器能够实现人体运动有效助力,验证了模型的合理性。