下肢外骨骼机器人在运动康复中的协同性研究

运动员在日常训练或在比赛中出现的损伤给运动员造成了巨大的痛苦.文章研究一种可以帮助受伤运动员进行康复训练的下肢外骨骼机器人,首先,分析人体的运动过程,然后通过大量不同人体尺寸下的步态数据分析,掌握人体步行各个循环阶段下肢各关节的运动学规律,并对下肢外骨骼机器人用拉格朗日法建立了动力学模型.其次,根据建立的动力学模型和下肢外骨骼机器人的特性设计了一种基于鲁棒自适应PD控制的控制系统,并对其进行仿真,证明设计模型的可行性.     

下肢外骨骼矫形器运动学分析

基于减重步行训练原理,研究下肢外骨骼矫形器康复系统.针对下肢康复训练机器人不存在固定基座,利用常规的方法进行运动学分析较困难的问题,引入参考坐标系的坐标变换矩阵,建立下肢康复训练机器人运动学模型,推导出步行训练机器人正逆运动学公式.最后规划步态轨迹,利用ADAMS软件进行运动学仿真和双腿外骨骼矫形器样机试验,验证了运动学模型及其推导公式的正确性.     

人体下肢运动协调模型

人体在行走、奔跑等运动时,在运动神经中枢的支配下,下肢运动存在一定的协调关系.这种协调性是生物进化和后天学习的结果,它使人体运动更加灵活、高效.研究健康人体的下肢运动协调性对于中风病人的康复治疗、足式机器人的步态规划、外骨骼机器人等助力设备的人机协同控制等领域具有重要意义.目前人体下肢协调性的研究仍比较初级,多停留在现...     

穿戴式外骨骼康复辅具临床应用现状分析

 穿戴式外骨骼康复辅具是一种可穿戴于人体上的智能化生机电控制系统,该系统通过外骨骼与人体肢体间力-位移的交互实现人机动作的耦合,可辅助人体实现某些特定功能,在临床康复治疗领域具有重要应用前景。上肢外骨骼和下肢外骨骼是目前常见的穿戴式外骨骼。上肢外骨骼包括肩肘手臂外骨骼和手指外骨骼,在康复训练中主要应用于中风后患者肩肘关节及腕手关节运动功能的康复训练。下肢外骨骼能够辅助下肢麻痹患者完成站立及运动,在下肢运动功能的康复治疗方面具有巨大的应用潜力。本文综述了目前常见的穿戴式外骨骼康复辅具的特点及其临床应用现状,并总结了目前国内外可穿戴外骨骼的研究进展。     

下肢外骨骼康复机器人人机交互力自适应导纳控制

对于下肢具有残余肌力的下肢瘫痪病人,基于标准步态轨迹被动训练的康复方案无法满足锻炼肌肉的康复训练需求,为此提出了一种人机交互力自适应控制的下肢外骨骼康复机器人控制策略,并设计了可实现康复训练的控制方法。该方法以健康人体行走步态为下肢外骨骼康复机器人的位置控制参考,以穿戴者的自身腿部用力作为力控制约束,根据穿戴者自身腿部力量大小,智能控制和调整步态曲线,以更加适应穿戴者的康复训练需求。仿真试验结果表明,相对于完全被动的康复训练模式,自适应力控制模式能够有效地调整康复过程中人机交互力,可以适应多种不同的康复训练需求,从而大大提高受损患肢运动功能恢复的康复治疗进程,具有实际的应用价值。     

卧姿下肢康复训练运动生物力学特性

现有的卧姿康复机器人功能单一、使用率低。该文设计了仰卧踏车、仰卧抬腿、侧卧抬腿等典型卧姿训练动作测量实验，并基于OpenSim建立了卧姿肌肉骨骼模型，计算分析关节角度、肌肉激活度及其耦合关系，研究了卧姿康复训练时髋、膝、踝关节及其主要驱动肌群的变化规律，探讨卧床患者运动训练的康复机制，为相关康复机器人的运动功能设计提供了理论依据。结果表明：仰卧踏车具有更高的膝关节与踝关节活动度，但整体肌肉激活度表现较另2种动作偏低；其关节运动幅度越大，肌肉激活度越高。仰卧抬腿与侧卧抬腿分别对髋关节屈曲与外展活动度以及相关肌群有明显激活；抬腿速度越快，肌肉激活度越高，但相对于地面的水平位移量越大；抬腿角度变大时，肌肉激活度均值整体降低，相对于地面的水平位移量变大。该研究发现仰卧抬腿、侧卧抬腿、仰卧踏车运动对人体关节与肌肉的作用各有侧重，在临床上采用侧卧、仰卧等多种动作组合训练可以提高康复效果，康复机器人最好能提供更多的矢状面和冠状面康复训练功能。     

基于OpenSim人体步行腓肠肌静态生物力学分析

为准确、快速地研究人体下肢运动规律,构建人体下肢模型。针对该模型推导出了人体步行状态下腓肠肌相应的力学方程F_1(t)。利用OpenSim搭建人体骨骼肌肉模型,并以腓肠肌进行静态力学分析为例,解析了肌肉在逆向运动学(IK)和残差缩减(RRA)两种不同分析方法中的肌肉激活度和力矩。研究结果表明:此模型能准确地模拟人体下肢肌肉的运动规律,利用RRA分析能够真实反映腓肠肌的受力情况,分析出肌肉激活度,为进一步揭示膝关节和踝关节的生物力学特性和为设计人体下肢康复机器人提供肌肉阻尼奠定基础。     

下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析

采用电机驱动方式,设计一种用于辅助行走和康复训练的人体下肢外骨骼康复装置.将下肢外骨骼简化为矢状面内的五杆机构,建立相应的D-H(Denavit-Hartenberg)模型,推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程.在ADAMS环境下,对下肢外骨骼进行运动学仿真分析,所得到的髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线表明:下肢外骨骼各关节在空间中具有连续的运动轨迹.     

下肢外骨骼机器人的控制仿真研究

下肢外骨骼机器人是一种复杂的非线性系统,有效控制策略对于人机系统运动的协调一致性至关重要.本文基于外骨骼机器人的动力学分析,提出了下肢外骨骼机器人的控制系统设计,采用模糊PID控制算法,结合ADAMS和MATLAB/Simulink软件,分别以角度误差和关节力矩作为系统输入输出量,对下肢外骨骼机器人的动力学与控制进行联合仿真.仿真结果验证了所提控制算法的有效性,为保证人体与机器人之间的运动协调性和一致性的良好控制提供了理论依据.     

气动肌肉驱动的上肢康复机器人动力学仿真

针对目前外骨骼机器人本体结构复杂,人机交互安全性不高的问题,结合驱动系统中气动人工肌肉的轻质、大驱动力、高柔顺性和接近人体肌肉的特性,提出一种基于气动肌肉的外骨骼上肢康复机器人。采用蒙特卡罗方法获得机器人的安全工作空间,并基于拉格朗日方程对外骨骼上肢康复机器人进行动力学建模,通过MATLAB软件对上肢康复机器人动力学特性仿真。     

不同路况对人体下肢肌肉特征参数的影响

提高医疗康复辅具的智能化水平能够明显改善老年人等弱势群体的运动步态及肢体运动能力,以及增强他们的自理能力、社会参与能力.因此,有效地获取人体在不同运动模式下的步态信息并将其应用在智能动作辅助系统控制系统的设计上是目前需要解决的重要问题.肌电信号能够很好地反映人体在运动时的肌肉活动状态和功能状态,本文针对不同路况下人体下肢肌肉的表面肌电信号进行一系列实验研究.通过比较人体下肢主要肌肉群的特征参数,得出人体下肢存在优势侧和非优势侧的结论,且不同路况下的这种差别是不同的.此外,本研究还通过分析不同路况下行走时人体下肢4组主要肌肉群(股内侧肌(VMO)、胫骨前肌(TIB)、半腱肌(SEM)和腓肠内肌(MED))的特征参数变化,得知双下肢的肌肉特征参数随路况的变化而变化的具体参数特点.本研究揭示了在不同路况下行走时人体下肢主要肌群的活动状态和变化特征,可为有行走功能障碍的患者及老年人的医疗诊断、康复训练及康复评定提供依据,同时也为双足机器人/智能助行器的优化设计奠定了基础.     

助力型下肢外骨骼机器人现状及展望

 助力型下肢外骨骼机器人是模仿人体下肢运动、增强穿戴者运动能力的智能机器人装置,可以在灾难现场救援、野外施工及军事用途等车辆无法通行的环境中发挥作用。通过分析国内外下肢助力型外骨骼机器人的研究现状,指出目前国内研究仍处于理论分析和实验室测试阶段。提出了助力型下肢外骨骼机器人研究的关键技术,并对助力型外骨骼机器人的发展趋势进行了展望。     

基于迭代学习控制算法的下肢外骨骼机器人跟随特性研究

目前下肢外骨骼机器人存在的运动控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹时存在误差,从而导致人机系统随动性能差。因此,本文提出迭代学习控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹。首先,结合人体下肢结构分析,建立下肢外骨骼机器人动力学模型;其次,基于迭代学习控制算法建立下肢外骨骼机器人随动控制模型;最后,利用Matlab软件设计指数变增益闭环D型运动控制系统,分析收敛速度与谱半径的关系,追踪得到人体下肢髋关节和膝关节期望轨迹。仿真结果表明该算法能够有效提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪精度,提升人机系统随动性能。     

基于迭代学习控制算法的下肢外骨骼机器人跟随特性

目前下肢外骨骼机器人存在的运动控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹时存在误差,从而导致人机系统随动性能差。因此,提出迭代学习控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹。首先,结合人体下肢结构分析,建立下肢外骨骼机器人动力学模型;其次,基于迭代学习控制算法建立下肢外骨骼机器人随动控制模型;最后,利用Matlab软件设计指数变增益闭环D型运动控制系统,分析收敛速度与谱半径的关系,追踪得到人体下肢髋关节和膝关节期望轨迹。仿真结果表明该算法能够有效提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪精度,提升人机系统随动性能。     

下肢外骨骼人机互连装置对关节内力的影响

下肢外骨骼能够帮助截瘫患者、偏瘫患者重获行走能力,但由于生理原因和装配原因,外骨骼关节与人体关节的转轴无法重合,导致人机间出现不良的交互力,进而会影响人体的关节、软组织内力。传统下肢外骨骼的人机互连装置无法解决人机关节转轴不重合带来的问题,该文设计了一种基于滑块导轨机构、可自适应补偿人机关节转轴偏差的新型下肢外骨骼人机互连装置,并分别对人体穿戴配备有本装置和传统装置的下肢外骨骼行走时摆动一侧人体下肢进行了静力学分析。计算结果表明:相比传统装置,新型装置能使人体关节内力更为平稳,并且可减小人体髋关节的内力:当人机关节转轴在矢状面内出现竖直偏差时,内力平均可减少2.45%;当人机关节转轴在矢状面内出现水平偏差时,内力平均可减少11.23%。该装置也可影响人体膝关节的内力,当人机关节转轴在矢状面内出现竖直偏差时,内力平均可减少13.68%;当人机转轴在矢状面内出现水平偏差时,内力反而平均增大23.48%。本文初步验证了该装置的可行性,它对降低人体髋关节和膝关节软骨、软组织处的磨损均有积极意义,从而可以改善使用者的外骨骼穿戴体验。     

穿戴式下肢外骨骼机器人研究现状

近年来,随着国家人口老龄化问题的加重,医疗技术的限制及青壮劳力的减少,穿戴式下肢外骨骼机器人在医疗、搬运、军事方面上的显著功能获得科研人员的广泛关注.本文试图摒弃传统功能层面的描述,从穿戴式下肢外骨骼机器人的结构层面梳理该类外骨骼机器人近年来的研究进展,进而分析了穿戴式下肢外骨骼机器人应用的新技术材料,然后重点阐述了其最新的关键技术(驱动方式和能源供应),探讨了穿戴式下肢外骨骼机器人今后的发展方向.     

下肢外骨骼机器人控制策略分析与展望

针对医疗康复领域,下肢外骨骼机器人控制策略决定了机器人在运行过程中的安全性、稳定性和快速性,从基于模型的控制策略和受生物启发控制策略两方面简述了下肢外骨骼机器人控制策略研究现状,特别对基于行为的机器人控制和中央模式发生器(central pattern generator,CPG)生物控制作了重点介绍。最后分析了下肢外骨骼机器人控制策略研究趋势并提出基于本体感受的反应式行为控制的智能行为技术。     

康复用下肢外骨骼结构设计与仿真

针对现有康复用下肢外骨骼普遍质量偏重,人机协调性较差的问题,根据人体行走步态特征设计了一套康复用下肢外骨骼.选用伺服电机和滚珠丝杠的直线执行机构,运动方式更接近于人体下肢骨骼运动;大量使用碳纤维和航空铝材料,降低了装置的质量;设计无级可调结构,保证了人机协调性.动力学仿真表明,人体穿戴该装置后,能够按照正常的步态完成行走过程,该装置的设计合理.     

行走过程中人体下肢受力模型的建立与验证

为了准确、简便地对人体行走过程中下肢的受力进行分析,构建了一个新的人体下肢力学模型:将人体的上半部分简化成固结至臀部的重物,将大腿、小腿和足部简化成3个刚杆,将踝关节、膝关节和髋关节简化成铰接点,将肌肉作用力简化成4对作用在刚杆上的未知力。针对该模型建立了相应的动力学方程,能够对足部和小腿的运动受力进行完整的描述。通过高速摄像机和足底测力台获取受试者的运动学和动力学数据,并使用APAS处理系统对数据进行处理,用于对动力学方程的求解,由此获得了下肢的受力状态。利用表面肌电仪测量了人体行走时的下肢肌肉电位,利用肌肉电位与肌肉力同时增大的原理,在一定程度上验证了模型的可靠性。研究结果表明:该模型能够较为真实地反映出下肢膝关节与踝关节的受力情况,具有较高的生物逼真度,可望为人体下肢运动机理的研究和下肢运动装备的开发提供参考。     

负重型下肢外骨骼机器人机构研究与仿真

设计兼顾人体运动灵活性与有效承载能力的下肢外骨骼机械结构,是负重型下肢外骨骼改善人机协同性、提高承载能力的关键技术之一。针对华东理工大学设计的外骨骼机器人"ELEbot"的结构进行研究并仿真。这种结构能够根据穿戴者步态的变化,引起自身结构的变化,进而改变下肢外骨骼的空间力闭环,使外骨骼满足不同步态下的功能特性。通过Matlab中的simmechanics模块对建立的模型进行仿真分析,得到人体下肢末端的运动空间,并与正常人体的运动空间比较,得出两者匹配的结论,验证了该结构的可行性。