外骨骼肩关节仿生运动的实现研究

为了更好的实现外骨骼上肢康复机械臂仿人的康复动作,即在手臂自然下垂状态下,实现大臂的直接外展动作,本文通过分析人体肩关节的结构和基本动作以及部分已存在的外骨骼机械臂肩关节的不足,对运动模型进行简化,设计了一种三自由度外骨骼式肩关节。该设计应用在外骨骼机械臂上,可以使机械臂在手臂自然下垂状态下实现外展/内收、前屈/后展、水平外展/水平内收3个基本动作,这样的三自由度(degree of freedom,DOF)联动,可以使外骨骼机械臂实现的日常功能动作更符合人体关节的生理需求,更接近人体自然运动规律。而且三维模型运动模拟结果表明,此设计可达到预期的仿人运动效果。该研究对临床康复仿生运动具有积极意义。     

外骨骼式上肢康复机器人力辅助控制

针对由脑中风引起的偏瘫患者,提出了一种新型的5 DOF外骨骼式上肢康复机器人.为激励患者肢体的主动运动意识,促进患肢康复,提出了机器人辅助运动模式.上肢复合运动力辅助控制通过实时获取各关节力矩信号来判断人体上肢的运动意图所产生的作用力方向与大小.为实时跟随患者上肢运动意图,利用比例控制器对肢体末端运动速度进行控制,从而驱动各关节完成运动.实验结果表明该方法较好地实现了患者肢体空间复合运动的实时力辅助.     

上肢康复外骨骼机器人控制方法进展研究

上肢康复外骨骼机器人主要用于为上肢运动功能障碍患者提供科学有效的康复训练,以实现患肢运动功能恢复及日常生活自理。该文从控制策略的角度综述了近年来上肢康复外骨骼机器人的研究进展。首先,从不同时期的康复治疗需求的角度出发,对已有的控制策略进行主动、被动控制分类,并对不同的控制方法进行概述,分析了各控制方法的当前研究现状。最后,对上肢康复外骨骼机器人发展中一些关键的挑战进行讨论并展望了未来的研究方向。     

外骨骼式上肢康复机器人及其控制方法研究

提出了一种融合单、多关节及日常生活功能行动作训练的5自由度外骨骼式偏瘫上肢康复机器人系统.根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,提取偏瘫患者的健侧肢体运动的表面肌电信号用于驱动康复机器人辅助患者患侧肢体实现康复训练动作.采用肌电绝对值积分和自回归参数模型法对上肢运动中参与动作的4块肌肉产生的sEMG信号分别进行特征提取,并分别作为基于Levenberg-Marquardt算法的反向传播神经网络的输入,6个上肢运动作为输出建立表面肌电信号与上肢康复动作之间的关系.试验结果表明该方法利用sEMG准确地完成了对上肢康复动作的识别.该方法有利于提高中枢神经系统紧张度,促进血液循环,在康复的同时防止并发症的产生,更有利于提高患者运动积极性,保持患者正确运动的感觉.     

可穿戴柔性上肢外骨骼的研究进展与展望

为研究可穿戴柔性上肢外骨骼的发展现状和其面临的关键技术难题,对目前该领域的文献进行了分析与总结。外骨骼可以有效地提供保护、支撑等功能,解决高强度重复性工作导致的肢体疲劳和身体机能衰退,以及中风或职业病导致的肢体运动障碍。此外,它们有能力通过额外的动力和功能来恢复或增强人类的运动能力。可穿戴柔性外骨骼作为一种新兴的外骨骼发展方向,相较于传统的刚性外骨骼,具有结构柔顺、人机交互性好和穿戴舒适性好等明显优势。首先,本研究结合柔性上肢外骨骼的3种主要驱动方式(绳驱、气动、形状记忆合金),详细解析不同驱动方式的相关研究成果和相应结构特点。然后,从结构、材料、控制、辅助4个方面分析和阐述如今柔性上肢外骨骼面临的关键技术挑战。最后,结合外骨骼在不同领域应用的需求,推测未来柔性上肢外骨骼技术将向灵活化、舒适化、顺应化、智能化方向发展。研究表明,可穿戴柔性上肢外骨骼的技术尚处于初始阶段,仍有许多技术难题亟需解决,同时,新型的柔性执行器,柔性传感器等可为关键技术难题的突破提供参考。     

膝关节康复外骨骼构型综合与结构设计

为了探讨膝关节自适应性康复外骨骼机构构型综合与结构设计问题,本文基于人体膝关节屈伸运动实验采集的数据,提取出膝关节运动瞬时螺旋参数;根据膝关节生理结构和膝关节螺旋轴的瞬变特性考究,建立人体膝关节的运动学模型。结合人-机运动相容性、人-机闭链自由度和人-机约束力矩作用性质分析,提出一种与人体膝关节运动相容的康复外骨骼机构构型;考虑结构简单性和穿戴舒适性,对膝关节康复外骨骼装置进行了结构设计,获得了一套可自适应人体膝关节转动轴线运动特性的膝关节康复外骨骼机构。     

基于BCI-VR技术的新型上肢康复系统

针对上肢功能障碍患者,设计了一款基于虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术与脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)技术的上肢康复系统.系统包括手掌抓握、手臂屈伸等多种训练模式,同时允许患者动态修改康复训练所处的虚拟环境.通过实时分析脑电信号,实现了在不同虚拟场景中进行在线康复...     

三维摄像测量系统在人体上肢运动分析中的应用

使用基于普通摄像机的三维摄像测量系统，对人体上肢运动数据进行了测量。根据人体上肢运动的特点，将其简化为具有7个自由度的刚体运动；通过分析布置在上肢上若干标记点的运动，建立了固连于上肢的关节坐标，提出了关节转角的计算方法，得到了日常活动中人体上肢关节运动数据。     

形状记忆合金驱动手指功能康复外骨骼设计

为了研制适应关节黏弹特性、轻便、可穿戴的手指功能康复装置,在分析手指关节、肌腱运动机理的基础上,设计形状记忆合金（SMA）丝驱动的手指功能康复装置.建立该装置的运动学模型和SMA驱动模型,提出基于SMA丝电阻反馈的模糊神经网络PID控制方法,研制手指功能康复外骨骼样机,进行样机的运动性能和控制性能实验.结果表明,仿生外骨骼实现了预期的手指被动康复运动,拇指、食指和中指的最大弯曲角度与人体手指的弯曲角度相近,分别为130.5°、236.4°、242.5°;仿生外骨骼能够辅助手指完成日常抓握动作;模糊神经网络PID相比于传统PID控制,有效缩短了仿生外骨骼的响应时间,手指的屈伸康复频率为6次/min.     

基于HTC VIVE的上肢康复虚拟训练系统研究

偏瘫病人参与康复训练的主动性不强、目的不明确,导致效率较低.本文提出基于可穿戴设备HTC VIVE的偏瘫上肢康复训练方案,设计并实现了一种以任务为导向的康复训练系统.基于人体上肢运动学理论,使用D-H参数方法建立人体上肢5自由度模型,仿真模拟了上肢手腕部的运动空间,以确保训练方案的安全性.在Unreal Engine 4中构建虚拟康复训练场景,患者通过操纵控制器触碰虚拟场景中的目标点完成相应训练任务.经上肢行为正常人士及偏瘫病人临床测试,训练任务有效促进了病人参与康复训练的主动性,运动轨迹记录可及时反馈患肢的运动情况,系统满足康复训练的需求.     

5 DOF穿戴式上肢康复机器人控制方法研究

提出了一种面向偏瘫患者,可实现单关节和多关节运动的5自由度穿戴式上肢康复机器人的控制新方法.根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,该机器人利用偏瘫患者的健肢运动的表面肌电信号(sEMG)驱动康复机械臂辅助患者患肢实现康复训练.利用肌电绝对值积分(IAV)和自回归参数模型法(AR model)对选定的上肢四块肌肉运动产生的sEMG信号进行分析,所提取的特征分别作为基于Levenberg-Marquardt算法的反向传播神经网络的输入,6个上肢运动作为输出建立表面肌电信号与上肢康复动作之间的关系.试验结果表明该方法利用sEMG准确地完成了对上肢康复动作的识别.这一方法有利于提高患者运动积极性,保持正确运动的感觉,并为研究患者受损上肢表面肌电信号与肌肉运动的关系打下了基础.     

基于Hyperworks的下肢康复训练系统机械结构设计与优化

设计了符合正常人体自然站起时重心轨迹变化的新型智能站起运动康复训练系统的机械结构,对其有限元模型进行了力学分析,并应用Hyperworks软件对其进行尺寸优化,进而在此基础上对其进行改进与优化设计。结果表明:本文给出的机械结构既满足系统需要的力学设计要求,又具有加工安装简单、包装运输方便、重量轻、成本低和安全可靠的特点,易于产品化推广。     

下肢康复训练机器人步态规划及运动学仿真

为满足神经受损患者步行康复训练需要,设计了一种具有四自由度步态机构的下肢康复训练机器人,建立了步态机构正逆运动学解析模型;为使机器人能模拟不同步态为患者提供多种训练模式,根据步行运动特征,给出了以步长,步态周期及步态时相为参数的可调步态规划方法.通过基于Matlab＼Simulink＼SiMMechanics环境下的机构运动学仿真分析,验证了运动学模型的正确性以及步态规划的可行性,说明该四自由度步态训练机器人可以模拟正常人步行时的步态和脚踝运动姿态,满足患者步态训练需要.仿真结果还可用于步态机构的参数优化设计,并为后续人机控制系统研究提供必要数据和研究基础.     

Research on robot measuring system for spacesuit joint mobility

Presents the principles of the passive robot system for measuring spacesuit joint mobility. The model of passive robot is developed. Based on its special mechanical structure, the model of the flexible IVA （intravehicular activity） spacesuit＇ s arm according to robotics is built. The inverse kinematics of a spacesuit＇ s arm based on artificial neural networks is put forward. Also, the self-learning algorithm of the network architecture based on generalization ability is developed, which ensures that the network architecture is designed and optimized. The joint mobility of an actual IVA spacesuit is measured. Experimental results prove that the theoretical system is correct and available, and the measuring system has high preciseness.     

咀嚼机器人颞下颌关节仿生设计及试验测试

为再现口颌系统的下颌运动,并提高咀嚼机器人的仿生度,引入了一种含有点接触高副的冗余驱动并联咀嚼机器人。采用医学测量的方法进行颞下颌关节结构的分析,完成咀嚼机器人点接触高副结构的仿生设计。基于双侧联动高副的约束关系,完成了颞下颌关节运动关系分析及运动学建模。对多位受测者下颌运动进行测量,获得人类开闭口运动的轨迹、最大速度和频率等参数。对咀嚼机器人开闭口运动和下颌受力进行了试验测试,验证了咀嚼机器人性能可以满足义齿磨损疲劳性能测试所需要的下颌运动和咀嚼力。     

一种下肢康复训练机器人足底力检测方法

对下肢康复训练机器人来说,足底力是非常重要的生物力学参数,因为它不仅反映动态步行的稳定性,而且也是患者病态步态的反映,基于足底力反馈的下肢康复训练机器人步行稳定控制和柔顺控制等都需要对足底力进行检测．提出一种基于双变形梁的力／力矩传感器来检测足底力的方法,给出了传感器的结构,阐述了检测原理,建立了基于传感器信息计算足底力的数学模型．该方法可实现对足底力信息中重要的足底压力及压力中心点COP的检测,具有维间耦合小,结构简单,不易损坏,成本低等优点．     

机器人干涉区设计及应用探讨

根据对机器人应用的理解,结合多年从事机器人应用的体会,探讨了有关设定机器人干涉区的控制方法,分析了这种方法的控制机理和过程,具体探讨了这种方法在应用机器人的过程中如何有效地使用及其在使用中所需注意的事项.