下肢外骨骼运动预测方法研究

为实现下肢外骨骼无滞后跟随人体运动,提高穿戴者运动灵活度、舒适度,提出了一种基于多传感器并具有预测功能的人体运动识别方法.搭建了基于姿态角度传感器、足底压力传感器和编码器的运动感知系统,并提出了运动识别方案.为解决物理式传感器普遍存在的延迟问题,引入时间序列预测算法来减小甚至消除延迟.最后,通过穿戴下肢外骨骼样机进行平地行走试验,验证了该运动识别方法在感知人体与下肢外骨骼运动信息方面的有效性,该方法能够有效提高下肢外骨骼的人机运动协调性.     

下肢外骨骼运动预测方法研究

为实现下肢外骨骼无滞后跟随人体运动,提高穿戴者运动灵活度、舒适度,提出了一种基于多传感器并具有预测功能的人体运动识别方法.搭建了基于姿态角度传感器、足底压力传感器和编码器的运动感知系统,并提出了运动识别方案.为解决物理式传感器普遍存在的延迟问题,引入时间序列预测算法来减小甚至消除延迟.最后,通过穿戴下肢外骨骼样机进行平地行走试验,验证了该运动识别方法在感知人体与下肢外骨骼运动信息方面的有效性,该方法能够有效提高下肢外骨骼的人机运动协调性.     

下肢外骨骼运动预测方法研究

为实现下肢外骨骼无滞后跟随人体运动,提高穿戴者运动灵活度、舒适度,提出了一种基于多传感器并具有预测功能的人体运动识别方法.搭建了基于姿态角度传感器、足底压力传感器和编码器的运动感知系统,并提出了运动识别方案.为解决物理式传感器普遍存在的延迟问题,引入时间序列预测算法来减小甚至消除延迟.最后,通过穿戴下肢外骨骼样机进行平地行走试验,验证了该运动识别方法在感知人体与下肢外骨骼运动信息方面的有效性,该方法能够有效提高下肢外骨骼的人机运动协调性.     

下肢外骨骼运动预测方法研究

为实现下肢外骨骼无滞后跟随人体运动,提高穿戴者运动灵活度、舒适度,提出了一种基于多传感器并具有预测功能的人体运动识别方法.搭建了基于姿态角度传感器、足底压力传感器和编码器的运动感知系统,并提出了运动识别方案.为解决物理式传感器普遍存在的延迟问题,引入时间序列预测算法来减小甚至消除延迟.最后,通过穿戴下肢外骨骼样机进行平地行走试验,验证了该运动识别方法在感知人体与下肢外骨骼运动信息方面的有效性,该方法能够有效提高下肢外骨骼的人机运动协调性.     

基于IMU与WiFi技术的步态监测系统研究

为了可靠获取人体步态信息,实现对外骨骼机器人控制提供重要参数,研究了一种基于IMU与Wi Fi技术的步态监测系统。阐述了监测系统的软、硬件结构和该监测系统的实际应用。该步态监测系统包括多个安装于肢体的无线传感节点、汇聚节点与上位机监测平台。无线传感节点获取各节点倾角传感器信息,并通过Wi Fi无线网络传输到上位机监测平台。经实测该监测系统在空旷地带的监测范围是80m,充满电状态下可以连续30h输出角度信息,满足人机系统动态位姿信息监测的要求。     

液压驱动下肢外骨骼系统设计与控制研究

研究基于液压驱动的下肢外骨骼机器人,旨在实现人体下肢的运动康复。设计结构紧凑型液压驱动下肢外骨骼整体机构。建立了下肢外骨骼多连杆机构模型,基于拉格朗日法对模型进行动力学分析。针对下肢外骨骼的快速随动控制提出了一种滑模控制器,并运用MATLAB进行了控制仿真模拟,仿真结果表明,外骨骼采用该控制算法具备良好的跟踪效果。搭建了外骨骼系统软硬件平台,通过预设步态跟踪控制实验,验证了机构的合理性与控制算法的有效性。     

辅助行走外骨骼机器人的测控系统设计

针对目前存在的残疾人及老年人行走不便的问题,对三维模型设计制作、脚底压力检测、多传感器数据融合等方面进行了研究。对传感系统搭建、检测判断人体行走状态以及进行意图识别的算法进行了归纳,提出了一种基于STM32 ARM Cortex-M3内核单片机等技术的辅助行走外骨骼机器人系统,进行了行走意图识别效率以及辅助行走效果测试。研究结果表明:该系统能实时检测使用者的身体运动参数并进行存储,实现智能检测、意图识别、辅助行走等多项功能,通过预设步态轨迹算法实现辅助行走;系统穿戴舒适、响应迅速、可靠性高。     

基于步态的下肢康复用外骨骼机器人运动分析

穿戴式下肢助行外骨骼机器人是一种能够帮助行走不便的老人和具有行走功能障碍的患者进行辅助行走的仿人服务机器人,其康复训练设备已提升为国家战略性研究项目,越来越得到重视。通过对人体下肢运动机理以及步态的研究,并基于动力学仿真软件Adams对外骨骼机器人的受力和步态进行仿真分析,验证步态的合理性,同时对以后行走的合理性提供依据以及为进一步设计出一种新型穿戴式下肢助行外骨骼机器人样机提供参考。     

一种外骨骼助行机器人的静稳定行走步态规划

设计了一种8自由度的外骨骼助行机器人,使其能在矢状面内完成行走运动,并通过足底重心转移模块使机器人在行走时重心能够在冠状面内左右转移。并对其进行了运动学建模,求解出关节角度和重心轨迹的关系。基于重心投影法理论,基于重心轨迹对下肢外骨骼助行机器人进行步态规划,使其实现静稳定行走。运用MATLAB求解出关节轨迹并进行稳定裕度地仿真验证,使得机器人能实现静稳定行走。     

下肢外骨骼机器人踝关节建模及动力学仿真

下肢外骨骼机器人是一种具有辅助助力和医疗康复功能的智能型机械装置。本文通过对人体踝关节结构分析,设计了被动气弹簧踝关节下肢外骨骼机器人,并建立了被动踝关节力学模型;利用OpenSim获得了正常人行走时一个步态周期髋、膝关节步态数据,将其导入ADAMS对所设计的下肢外骨骼机器人踝关节未加气弹簧和加气弹簧两种模型进行了动力学仿真,通过对两种模型运动曲线对比分析,验证了所设计的下肢外骨骼机器人在步态行走和动力学方面的可行性和正确性。     

一种减重外骨骼机构设计及动力学分析

随着社会老龄化,外骨骼技术逐渐应用于助老领域,针对存在下肢退化性关节炎老年人行走过程中需减轻自身重量对承重关节压迫的具体需求,分析了减重外骨骼构型特点,并在此基础上设计了一种基于2-UPS机构的减重外骨骼。外骨骼与人体通过骨盆及前脚掌连接构成单闭环,应用闭环矢量法建立外骨骼运动学模型。基于老年人常速行走过程中下肢关节角度变化关系,计算外骨骼主、被动运动副在一个步态周期的速度和加速度。应用拉格朗日法分别对行走过程中双腿支撑相和单腿支撑相进行动力学分析,并通过Adams仿真软件验证了动力学模型的正确性。     

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。     

一种新型多体位康复训练下肢外骨骼的设计及实验

针对医学康复训练设备存在训练方式方法过于单一的问题,设计了一种新型多体位康复训练下肢外骨骼,建立了下肢外骨骼数学模型,进行了运动学仿真及分析.搭建了多位下肢康复外骨骼实验平台,进行了基于实物样机模型的步态行走实验.将仿真数据与实验数据进行对比,表明多体位下肢外骨骼设计的正确性以及合理性.     

基于振荡器的助行外骨骼跟随助力控制研究

针对外骨骼机器人在辅助人体步行过程中存在的人机交互不协调问题,对人体运动意图识别方法以及外骨骼关节助力矩柔顺性控制进行了研究。通过分析人体正常步行过程中步态特征,提出了基于振荡器相角的运动意图识别方法;分别利用仿真计算和实验平台试验,对基于振荡器相角的外骨骼步行跟随助力控制原理及性能进行了验证,同时在实验平台验证了解决初始零位自动补偿和静止状态防抖的相应算法;进行了5名实验对象参与的助行外骨骼样机10 m步行试验。研究结果表明:穿戴助行外骨骼步行相比自由步行,平均步行速度提高了20.16%,且实验对象反馈外骨骼助力无突然的跳变或抖动;基于相角振荡器的助行外骨骼跟随助力控制,不但能准确适应人体行走步幅步速,而且能有效提供柔顺的髋关节助力矩,实现顺畅的自然步行。     

多用途下肢康复外骨骼结构设计与实验

为有效解决由于脊柱损伤、脑损伤、脑血管疾病及骨关节手术所导致的人体下肢运动功能障碍,提出了一种多用途可拆卸下肢康复外骨骼设计方案,设计了基于扭矩传感器的力感知高集成助力关节,在腿部泛型尺寸结构设计的基础上,提出了一种基于螺纹传动的双向同步快调机构,实现了单手徒手快速调节外骨骼腿部长度的功能.基于外骨骼运动平衡安全性及广泛适用性等问题的考虑,将下肢康复外骨骼与可升降移动护架有机结合,提出了下肢康复外骨骼整体结构及可升降移动护架结构,既保证了外骨骼运动过程中的平衡安全性,又同时适用于轻度、中度、重度等不同程度的下肢运动功能障碍患者.为合理规划下肢康复外骨骼运动步态,进行了平地、上坡、下坡、上楼梯、下楼梯等步态数据的采集及处理,搭建了控制系统.为了验证理论研究成果,加工了实验样机,并进行了相关实验验证.实验结果表明:扭矩传感器具有较高的实时性及准确性,外骨骼具有广泛适应性,结合移动护架可为患者提供有效的减重环境,外骨骼可实现起立、坐下、平地行走、上下斜坡及上下楼梯等功能.     

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。     

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。     

下肢外骨骼虚拟样机设计研究

步态分析是外骨骼机器人设计中不可或缺的技术环节。以人体步态运动规律作为下肢外骨骼运动姿态控制的基础,有利于实现良好的人机匹配。采用Vicon运动分析系统进行了运动学实验与分析。在人机交互的基础上,拓展人的运动功能,因此在下肢功能障碍患者康复训练、老年人及正常人助力行走、单兵装备中获得广泛关注与应用。以人机功能匹配为设计出发点,采用Vicon运动分析系统进行了步态行走实验,以步态参数作为下肢外骨骼运动控制依据。通过ADMAS运动仿真与拉格朗日方程计算结合的方式,得出动力学参数。进而完成了一款兼顾行走助力功能与低成本的下肢外骨骼虚拟样机设计。     

一种下肢外骨骼助行康复机器人及康复评价方法

针对下肢瘫痪患者的康复训练需求,设计了一种下肢外骨骼助行康复机器人。描述了外骨骼机器人的机械结构。设计了基于关节角位移的闭环控制系统,将VICON运动捕捉系统采集的正常人体下肢运动关节角作为参考输入信息,控制受试者穿戴外骨骼进行行走、上下台阶动作。完成系统调试后,采用VICON运动捕捉系统捕捉受试者在该控制系统下的步态,并与正常人体步态作对比,验证了控制算法的正确性。定义了下肢康复评价标准RMP,使用设计的外骨骼康复机器人进行患者跟踪康复训练实验,验证了助行康复机器人的有效性。     

基于应变片式压力传感器的重心测量系统

准确的重心位置对于下肢外骨骼助行机器人的控制具有重要意义。为实现准确快速的重心实时测量,提出了一种基于应变片式压力传感器的重心测量方法,并设计了相应的机械结构和处理电路。该系统能够准确测量出外骨骼机器人与穿戴者构成的人机系统受到的足底反力,并实时计算相应时刻的重心位置。重心测量系统的机械结构可保证压力传感器能够采集到几乎全部的足底反力;力采集电路保证了信号的精确放大和测量。最后进行了系统标定实验,实验表明,系统在采样频率100 Hz时,X向和Y向的测量相对误差均小于2%,能够满足下肢外骨骼助行机器人的控制需求。