气动肌肉驱动步态康复训练外骨骼装置的研究

在为提高卒中病人的行走能力训练当中,广泛采用平板训练.在平板训练中,病人的下肢需要治疗师辅助进行运动.这种徒手训练对治疗师来说很消耗体力.因此,研制了一个用于步态训练的动力式下肢外骨骼装置.该外骨骼装置在平板训练中为髋关节和膝关节提供助力.外骨骼装置的结构基于人的关节驱动原理,每个关节由一对气动肌肉驱动.以气动肌肉的模...     

人工肌肉驱动的腰部助力器设计与仿真研究

目的 为了帮助腰椎疾患、腰肌劳损、弯腰作业者,方法 提出一种由McKibben型气动人工肌肉实现轻量化、柔性助力、穿戴舒适的腰部助力器,分析穿戴与未穿戴腰部助力器搬举重物时腰部主要肌群的肌肉力变化,验证腰部助力器的有效性。通过三维动作捕捉系统和三维测力系统采集受试者在搬举过程中的运动学和动力学数据,导入腰部助力器三维模型作为驱动数据,建立人体腰部骨骼肌肉生物力学模型,利用Hill型三元素肌肉模拟McKibben型气动人工肌肉,搭建人机交互模型并进行仿真分析。通过测量重物搬举过程中腰部主要肌群的肌电信号变化,对比肌电信号曲线与肌肉力曲线趋势,验证仿真分析结果的有效性。结果 实验结果表明,穿戴腰部助力器运动时主要参与作用的为竖脊肌、多裂肌和腰方肌,其中竖脊肌助力效果最为显著,助力效果达到43%。结论 通过进行人机交互模型的生物力学仿真,验证了搬举重物时腰部助力器的有效性,该助力器可为护理人员和物料搬运工作者提供助力。     

汽车正面碰撞驾驶员颈部肌肉激活分析

针对汽车正面碰撞时计算颈部肌肉的主动肌肉力问题,提出了基于颈部生理结构特征的肌肉激活程度计算方法。按照解剖结构将颈部肌肉分两部分,使用优化算法计算深层肌肉激活程度;在志愿者实验数据的基础上,依据解剖结构和功能分组计算浅层肌肉激活程度。通过碰撞仿真分析,在低速正面碰撞中颈部主动肌肉力能够降低颈部损伤,以斜方肌为代表的后侧肌肉会产生离心收缩而受到损伤。     

自行车骑行过程中脚踏力的分析

本文提出了把在骑行过程中的脚踏力分解为直接由纯关节力矩而产生的肌肉分量和由重量与惯性力的作用产生的非肌肉分量的分析方法．在平面关节运动和关节力矩给定条件下，利用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｅｕｌｅｒ系统中的动力学方程求解两个分量．通过在３个不同转速下承受普通载荷的自行车脚踏力的分析为例来说明脚踏力的分解方法．主要的结果是：非肌肉力分量的大小随转速增加而增加，肌肉力分量的大小基本保持相对恒定．     

气动人工肌肉伺服平台的建模

为克服传统液压或电气驱动并联平台的不足,提出了将气动人工肌肉应用于并联伺服平台的驱动关节,实现平台位姿控制.通过对平台系统的运动学和动力学分析,结合气动人工肌肉的充气压力-伸缩力-伸缩比三者的关系,建立了气动人工肌肉并联伺服平台位姿控制系统的数学模型,并进行了计算机仿真.仿真结果表明,通过输入一定电压来控制气动人工肌肉的充气压力,可实现伺服平台的二自由度转动,而且系统运动平稳.同时分析了在相同输入电压和初始位姿条件下,不同惯性负载和力矩负载对伺服平台响应速度和稳态位姿的影响.所得模型及仿真分析为气动肌肉系统的高精度控制提供了理论基础.     

人体下肢能量收集与行走助力外骨骼分析与评价

随着人口老龄化加剧,人体机能衰退,导致四肢灵活性下降,严重者失去行走能力。研究表明,借助下肢外骨骼可以辅助人体行走。设计了一种下肢外骨骼,通过收集下肢健侧的能量,在患侧下肢行走时释放。利用单侧下肢对患肢进行运动补偿,辅助行走,实现人体能量的收集、管理和迁移。通过人体穿戴实验评价外骨骼对于肌肉的影响,结果表明股直肌的均方根值降幅可达10%,腓肠肌外侧肌肉的肌电积分值降幅达12%。外骨骼对下肢肌肉的影响较为明显,借助外骨骼可以为下肢运动提供辅助拉力,同时降低肌肉活性。     

正常青年人行走步态的实验研究

以VICON步态分析系统对5名年龄身高体重均相近的正常青年人的常速行走步态进行了实验研究．得到了青年人常速行走步态的基本参数,给出了关节角度的统计曲线,并对单支撑期内各关节角度进行了分析．比较了左右两侧关节角度的差异．结果表明,正常行走左右两侧关节角度存在着差异,以左右侧关节角度差异度结合时相对称性指标可以更合理地评价步态的对称性．单支撑期内关节角度范围为假肢设计及正常人步态的模拟提供了参考．     

外骨骼下肢运动步态的仿真研究

针对下肢运动障碍患者的康复要求和人体下肢行走时的步态规律,本文基于Pro/Engineer软件,对外骨骼的关节进行结构设计。分析了人体下肢的生理结构及运动步态,重点分析了步态周期内骨盆的运动规律,建立外骨骼简易三维模型,为验证此设计的可行性,采用Pro/Engineer软件进行仿真实验。仿真结果表明,外骨骼带动人体骨骼正常行走,而且各个关节的运动轨迹与正常人行走轨迹相近,说明对外骨骼关节的设计是可行的,能够满足患者的康复要求。该研究具有较高的实际应用价值。     

气动人工肌肉驱动的类人关节研究

Mckibben气动人工肌肉是一种由气压激励的运动引擎,它可以输出足够的拉力,并具有一定的柔顺性.建立了一个新的机器人肘关节,关节结构由人类肘关节演变而来,由两条对抗设置的Mckibben气动人工肌肉驱动,肌肉对的伸缩运动导致关节旋转;分析和计算了关节角度和人工肌肉收缩长度间的关系,以及最大旋转角的几种可能情形,推导出最大可能旋转角度,讨论了关节结构参数对最大旋转角度的影响,并把该机器人关节和人类关节进行了比较.     

仿肌肉绳索驱动下肢康复机器人系统使用安全性评价

为了研究仿生肌肉绳索驱动下肢康复机器人使用安全性的评价方法和指标,基于Hill肌肉模型,给出仿生肌肉绳索模型,介绍仿生肌肉绳索驱动下肢康复机器人（BM?CDLR）. 在康复机器人的刚性运动支链的运动规划和力学分析的基础上,定义了安全性能因子. 考虑不同患者的运动承受能力和刚性运动支链滑块运动速度的波动性,提出康复机器人的使用安全性评价指标. 通过实例分析验证了使用安全性评价方法的合理性.     

基于电液直驱的动力踝足假肢对行走步态的影响

针对传统被动式踝足假肢不具备主动出力功能,不能很好地满足下肢截肢患者需求的问题,本文提出了一种基于电液直驱系统的全主动液压驱动踝足假肢系统,并研究其对于下肢截肢患者行走步态的影响。该系统采用无刷直流伺服电机、双向齿轮泵、液压缸作为核心驱动部件,通过基于神经肌肉模型的前馈控制器实时拟合踝关节阻抗特性,实现踝关节的主动柔顺和主动出力功能。仿真结果表明:与传统被动假肢相比,该系统可以很好地拟合人体踝关节的动态特性,能够在行走过程中提供合适的缓冲和动力,能够有效地改善截肢患者的行走步态。     

网球运动中紧身护臂对前臂肌肉的影响

9名大学生网球运动员分别穿戴不同护臂进行网球运动测试,利用加速度计及表面肌电仪同步采集前臂肌群的肌电信号及加速度信号,并转换成肌肉受力负荷指标及肌肉活动指标,以分析紧身束缚对肌肉的作用。结果表明:不同紧度下,肱桡肌(BRA)所受击球载荷有显著性差异(P <0. 01),其他肌肉不明显;肱桡肌、桡侧腕长伸肌(ECRL)、指伸肌(ED)的RMS呈显著性递减趋势(P <0. 05);放电时间呈显著性递增趋势(P <0. 05)。护臂面料的改变未对指标产生显著影响。由此得出:不同紧身束缚并未显著改变前臂肌群的受力载荷,但施加一定的紧度能够降低肌肉的活动,减小击球冲击对前臂肌肉的负荷,对于肌肉损伤、运动疲劳有着积极的影响。     

准被动式储能下肢外骨骼的设计

通过提出一种准被动式储能下肢外骨骼的设计和分析,以缓解关键承载关节的负担,并且辅助人体行走.结合人体步态规律,采用串联弹性储能部件的方法实现在被动式的跟随人体运动的过程中进行能量的存储,达到节省人体能量消耗的目的.根据人体髋、膝关节在正常步态中的受力变化情况,通过设计相应的髋关节自适应系统和膝关节变刚度系统,并基于三态的能量控制策略来实现下肢外骨骼在支撑状态和摆动状态之间的柔顺切换.最终在不妨碍人体正常行走的前提下,实现行走助力.     

双下肢建模与运动控制研究

人体下肢行走为周期性规律运动,研究行走的步态特征对双足行走机器人步态规划以及动力型假肢运动控制都有很大的借鉴意义.利用VICON人体三维运动捕捉系统采集平地行走髋关节与膝关节的运动信息并进行分析.将人体简化为刚体模型,借助CAD软件Solidworks进行人体建模,利用COSMOS Motion插件进行下肢运动学分析.搭建双下肢运动平台,直流伺服电机作为驱动髋关节与膝关节运动的动力装置,通过对人体膝关节和髋关节角度信号的控制,最终达到模拟人腿的步态行走.     

基于气动人工肌肉的仿人机器人膝关节设计与控制

考虑气动人工肌肉的功率/质量比与柔性优势,研究其在仿人机器人下肢结构中的应用.首先分析人体下肢生理结构及功能映射,进行膝关节的结构设计;其次,采用H鲁棒控制理论,设计了膝关节运动角度控制器,以及基于反馈线性化原理的气动肌肉气压控制器;最后,搭建关节运动控制实验平台,并进行验证性实验研究.结果表明,所设计的气动关节能完成大腿-小腿相对转动90°的运动要求,关节轨迹跟踪稳态误差小于4%.     

用于检测下肢关节运动信息的外骨骼机构设计及运动学分析

对人体下肢关节的运动属性、直立行走的步态特征及人-机之间关节运动属性差异对人-机相容性的影响进行了分析,根据下肢康复训练的功能需求并通过在人-机联接环节增置连接关节,提出一种用于检测人体下肢髋、膝关节运动信息的外骨骼机构.建立了外骨骼机构关节运动与人体下肢关节运动之间的映射关系,并对人-机组成的封闭运动链进行了运动仿真分析.分析表明:外骨骼机构的关节运动与人体下肢髋、膝关节运动之间具有确定的量化联系,通过安置于外骨骼机构关节处的传感器能检测人体直立行走时的下肢关节运动信息.     

人体步态规律测量分析与研究

为系统研究人体下肢的运动规律,采用基于人体运动图像的检测系统以及人体关节角度测量装置,对人体在跑步机上行走时关节运动轨迹和关节角度进行了测量,该系统通过Visual C 6.0和Matlab/Simulink混合编程,来实现对运动图像以及标志点的采集工作.结合数据融合方法对测量结果进行了处理和分析,得到人体步态规律.测量结果为了解人体运动规律,分析异常步态以及康复治疗提供了依据.     

基于地面反力的双足机器人期望步态轨迹规划

提出了一种基于地面反力的双足机器人期望步态轨迹规划方法。通过D Alembert定理推导出地面反力与机器人关节运动之间的数学关系。结合ZMP（零力矩点）稳定性原则和其他物理性约束条件,给出了双足机器人期望步态轨迹。受人类行走的启发,采用模糊策略来规划期望ZMP轨迹。该方案与传统的双足机器人步态轨迹生成方法比较,可实现稳定的行走,具有上体的运动范围小,适用于单、双脚支撑期等优点。双足机器人的实验说明了该方案的可行性和良好性能。     

基于最大摩擦因数的下肢肌无力者滑跌步态特性分析

针对老年人行走过程滑跌现象的频繁发生,提出了利用改进的所需最大摩擦因数及COM（center of mass）波动值来分析滑跌过程的方法.该方法以基于Kane方程的仿生下肢行走动力学模型为基础,能够实现行走过程动力学参数值的快速检测,能对行走过程的任一瞬时平衡状态进行分析,并据此判断和验证滑动和跌倒过程的临界值,建立了老年人滑跌步态的理论基础.通过肌力正常与肌无力老年人的行走步态实验数据比较,下肢肌力不足的老年人,因其神经肌肉控制力下降,步态姿势趋于不稳定,发生滑倒的概率更高.步态分析实验数据表明,该方法能够对滑跌过程进行准确描述.     

以人体运动为参照的仿人机器人设计参考准则

为解决仿人机器人设计以经验设计或运动仿真验证为主,尚不存在以人类自身为参照,考虑走跑跳等多种运动行为要求下的初始设计方法问题,对人体多种运动行为进行运动捕捉与足底力测量,选择人体运动过程中关节力矩和关节功率作指标表征仿人机器人应达到的极限驱动能力。利用PhaseSpace三维运动捕捉系统和自行研制的至少5倍于体重的大量程集成化测力鞋系统对6名成年男性进行了走跑跳等运动行为的运动捕捉与足底力的测量实验,根据得到的149组实验数据,分析总结人体走、跑、跳等运动行为特征;采用牛顿-欧拉法对人体下肢机构进行逆动力学计算,用多元非线性拟合法拟合计算结果得到了各关节最大驱动力矩及功率方程式。综合归纳给出了不同运动方式下仿人机器人设计参考准则,为走跑跳等多运动方式仿人机器人的设计提供了参考。