一种主动型踝关节假肢设计及动力学分析

设计了一种平衡可控变刚度主动型踝关节假肢,通过调节弹簧的预紧力,实现不同行走模式下的变刚度运动。首先采用Motion Analysis步态分析系统进行人体行走步态实验的研究,获得踝关节行走过程中的关节角度及关节力矩,为踝关节假肢设计提供理论依据;其后,进行踝关节假肢机构方案分析,利用电动机带动曲柄摇杆机构,并组合弹簧进行踝关节假肢的机构设计;最后,采用ADAMS软件进行踝关节假肢虚拟样机仿真,研究不同刚度系数对踝关节假肢运动输出的影响,仿真结果表明踝关节假肢有较好的动力输出效果,并通过实验验证了机构设计的合理性。     

新型假肢膝关节的设计与仿真研究

假肢膝关节是假肢最重要的结构,对假肢性能具有至关重要的影响。从仿生性角度出发,提出一种新型假肢膝关节结构。以踝关节轨迹作为步态评判标准,建立机构的运动学模型。论述模型结构的优化原则、目标函数以及约束条件,运用LINGO软件编程对模型中的尺寸参数进行优化。将优化后的结构模型运用ADAMS进行仿真分析,验证模型及优化的正确性。仿真结果表明,运用设计的新型假肢膝关节的假肢能够较好地模拟正常人行走的踝关节轨迹,具有较好的行走步态。     

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。     

基于电静液作动原理的主动式踝关节假肢设计

踝关节假肢作为人体医学假肢的重要组成部分，按其作用原理分为被动式假肢、半主动式假肢和带有主动驱动的主动式假肢。主动式踝关节假肢具备主动驱动能力，同时通常包含能够产生弹性以及形成能量反馈的机构，可以显著地改善截肢患者的行走舒适性。根据人体生物力学分析，提出了主动式踝关节假肢的总体方案，设计了基于电静液作动原理的主动式踝假肢驱动系统，设计了假肢整体机械结构，并完成了假肢整体的力学性能与运动学仿真。相对于传动的机电系统或液压系统驱动的主动式踝关节假肢而言，采用电静液作动器驱动的主动式踝关节假肢具有功率密度高、噪声低和状态切换快速平滑等优势。     

基于傅里叶级数的踝关节运动模型研究

对人体下肢运动模型的研究是外骨骼机器人驱动和控制系统的核心内容之一,针对利用分段函数拟合踝关节运动模型时存在拟合过程复杂、模型高阶求导之后不连续等缺点,采用傅里叶级数拟合法建立踝关节在矢状面内平地行走运动模型,通过该方法获得的踝关节运动模型具有简洁、准确、无冲击等特点,而且该运动模型还具有高阶连续性和可导性。最后,通过实验验证该模型可以描述健康人体平地常速行走时踝关节运动特征;同时通过ADAMAS进行运动仿真,验证其用于外骨骼机器人的踝关节驱动的正确性。该运动模型研究为研究健康人体正常行走时踝关节运动特征提供了重要的理论依据,并为外骨骼机器人踝关节的驱动和控制提供了参考模型。     

助力机器腿仿真研究

助力机器腿是为腿部受过轻度损伤，或者因为偏瘫和脑瘫，不能稳定行走的患者设计的一种辅助行走的机器人。建立了基于广义坐标的助力机器腿逆运动学模型，采用三次样条插值规划人体的髋关节和踝关节运动轨迹，结合人体运动的几何约束和运动约束，推导出人体腿部参数化步态模型。采用图像分析方法，得到了人体行走过程中髋关节和踝关节的轨迹，通过比较分析，验证了理论分析的正确性。在Matlab／Simulink，SimMechanics下，进行了机械腿仿真分析，并给出了仿真结果。     

AnyBody环境下人体步态的逆向动力学研究

为了分析人体步态运动中包含肌骨系统的下肢动力学特性,基于生物力学分析软件AnyBody建立一种包含肌骨系统的下肢运动模型。利用逆向动力学,在下肢运动关节等处设置运动控制点,以运动控制点三维坐标和地面支反力为驱动,完成了人体的正常步态仿真,得到了人体正常步态下的踝关节和膝关节的角度、力矩的变化曲线,分析了关节力矩与角度变化之间的关系;给出了比目鱼肌、缝匠肌、胫骨后肌和胫骨前肌在步态周期内的肌肉力和活性变化曲线,讨论了肌肉力和肌肉活性之间的关系。     

人体足部步态模拟机构的设计研究

从运动学的角度设计了一种新型步态模拟机构.先以正常人体步态作为依据,利用ADAMS对该机构尺寸进行了优化设计,在优化过程中,利用复数矢量法确定约束函数,以耦点轨迹和实际步态踝关节轴的轨迹误差最小作为优化目标.最后将优化结果和实际人体踝关节运动曲线进行对比,验证了该机构的可行性.     

一种足下垂康复助力机构的设计

针对足下垂患者足尖着地、拖拽等步态异常问题,提出了踝关节助力机构所需要完成的功能性目标,设计了一种为足下垂患者在行走时的摆动相阶段提供助力的对称式、混合动力足下垂助力机构。该助力机构采用了压簧和线驱动执行器组合的方法,针对助力机构的控制问题,研究了正常人体步态规律,采用了足底压力传感器检测步态相位的方法搭建了步态相位检测系统,对传统的PID控制方法进行了研究,设计了步态相位检测系统和踝关节助力机构的控制系统,完成了整个控制系统搭建,最后进行了相关实验。实验结果表明:该机构具有很好的可行性,将理想踝关节曲线和实验值进行比较,两者基本吻合,说明机构可以帮助足下垂患者行走,使其步态近似于正常人体步态。     

双摇杆假肢膝关节的运动学与动力学分析

膝关节是人体正常运动的重要部位。为了满足下肢截肢患者恢复正常运动功能的需求,设计了一款双摇杆机构的假肢膝关节。首先,建立了下假肢的简化模型,通过对模型的运动学分析,获得了相关关节角度、角速度、角加速度等参数。通过动态静力分析法对双摇杆的各个杆件进行动力学分析,最终得到输出阻尼力与驱动力矩之间的平衡方程。通过Adams仿真分析,得到了高度相似的膝关节瞬心轨迹和踝关节轨迹运动曲线对比图。结果表明,设计的双摇杆假肢膝关节具有良好的稳定性与仿生性,能够满足截肢患者的运动需求。研究为双摇杆假肢膝关节整体的结构设计、加工和实时控制提供了理论依据。     

下肢康复外骨骼机器人步态相位切换研究

为实现下肢康复外骨骼机器人步态相位的稳定切换,通过压力传感器,编码器,陀螺仪以及拐杖按钮检测单元构建的感知系统实时采集人体步态运动信息,先根据足底压力信号的标志性事件将人体步态周期依次序划分为四个相位,然后对不同相位的运动状态切换进行具体研究。针对人体行走过程中支撑腿与摆动腿的切换判断,提出基于学习矢量量化(LVQ)的神经网络模型。将整个步态相位切换模型嵌入控制程序中进行在线测试,结果表明该模型实时性好,识别率高,能够实现稳定柔顺的步态切换。     

仿人机器人平地行走步态规划与仿真

为研究仿人机器人的平地行走运动,首先,根据人体结构特点和运动特征,并基于二维倒立摆原理,规划机器人平地行走过程中质心和摆动腿踝关节的运动轨迹;其次,通过建立机器人支撑腿和摆动腿的几何模型,对前向、侧向运动中两条腿所涉及的10个自由度的运动进行规划;进一步,根据逆运动学求解各关节角的运动轨迹,利用仿真软件ADAMS建立仿真模型,并进行平地行走虚拟仿真。仿真结果验证了文中所采用的步态规划方法的可行性,同时也验证了机器人结构设计和电机选型的合理性,为机器人样机的研制提供了理论依据。     

基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与步态仿真

以人类的构造为原型,基于仿生学的角度,设计了一种下肢单腿7自由度的仿人机器人.通过三维光学动作捕捉系统采集人体正常行走时的运动位置坐标,分析数据,获取人体步态行走时的关节角度及下肢各关节力矩变化规律;建立了下肢7自由度运动学模型并进行逆运动学分析,求解出下肢各关节角度的变化情况,并根据步态规划求解出仿人机器人步行运动过程中下肢各关节转动角度;在UG环境中建立下肢7自由度的仿人机器人三维模型,并利用多体动力学软件Adams进行动力学仿真,结合步态运动规划求解出的角度变化情况对仿真参数进行设置,通过虚拟样机完成仿人机器人的步态行走,并将仿真数据和动作捕捉实验获取的数据结果进行对比.研究结果显示,仿人机器人能够实现稳定的步态行走,确认了整体建模思路、运动学分析以及动力学仿真的准确性.以实验结果为基准,仿真所获得的髋关节和膝关节力矩值相对于实验值的相对误差分别为6.7％和9.6％,均在合理的范围内,为仿人机器人结构设计和电机选型提供了依据.     

液压驱动双足机器人步态规划及动力学仿真

为实现双足机器人步行运动,提出了一种双足机器人平地行走步态规划算法并对其进行动力学仿真验证。首先利用二维倒立摆模型以及五次多项式分别对机器人质心、踝关节运动轨迹进行规划,再通过建立机器人运动状态几何模型,对运动过程中机器人腿部关节运动轨迹进行规划,得到关节角运动轨迹,借助MATLAB仿真获取机器人下肢各个关节运动曲线。然后利用动力学仿真软件Adams对虚拟样机进行仿真,实现了机器人虚拟环境下的平地稳态行走,仿真验证了步态规划算法的可行性。     

基于人体行走系统功能认知的步态稳定性判据

鉴于现有双足机器人行走过程步态稳定性判据的不足和人类高效、稳定、协调的行走步态特征,提出一种基于人体行走运动特征及前庭平衡系统功能认知的步态稳定性判据,实现对步态稳定性的定量判别。根据人体行走运动特征和人体前庭平衡系统工作原理,将表征人体运动步态稳定性特征的矢状面质心角动量、质心前向加速度、零力矩点与中心力矩轴的前向距离进行多参数加权融合;利用粒子群优化算法进行参数优化;构建基于人体行走运动特征及前庭平衡系统功能的多参数融合的综合步态稳定性判定方法。经实验分析,该方法得到的稳定性判别指数集中分布在0.02～0.03区间内,能够实现步态稳定性的定量判别。实验结果验证了所提出的步态稳定性判据的有效性与可行性,是准确刻画步态稳定性的新方法。     

下肢康复机器人的结构设计与动力学分析

针对下肢运动损伤患者的康复需求,提出一种新型下肢外骨骼康复训练器,根据康复评定学中RLA分期法对人体正常步态的描述和人机工程学理论中的人体下肢尺寸及关节特点,对被动康复训练器的机构进行设计;使用SolidWorks建立三维样机模型,制造实物样机;并且建立运动学及动力学模型;通过Matlab仿真分析特出关节运动变化曲线,验证数学模型的正确性;并且通过ADAMS软件进行动力学仿真,验证模型的正常行走步态,并且得出关节角速度,关节角动量,关节力矩等变化曲线。然后分别选取RLA八分法中8个关键时期点的数据,将理论计算和模拟仿真的结果进行比较,分析误差原因。验证了运动模型的正确性,为驱动控制提供参考依据。     

五连杆外骨骼助力系统行走步态模型能量补偿

人体行走过程包括支撑和摆动两相,脚后跟触地改变系统几何拓扑,使得步态变化不可导。外骨骼助力系统正常工作时运动状态与人体步态一致。文中运用位移激励法建立了一个支撑相过程中由驱动方程和约束方程组成的外骨骼行走步态模型拉格朗日方程组,通过三维捕捉系统确定人体不同负载下行走步态,通过方程组逆求解求得广义驱动力。脚跟触地导致系统能量损失,运用运动数据相空间分解方法分离出损失部分动能。理论计算出单腿支撑行走过程系统功率补偿密度和脚后跟触地瞬间动能损失,绘出各关节驱动功率时程变化曲线并对关节驱动器设计做了探讨。     

下肢康复训练机器人的运动协调仿真

随着机器人技术的发展以及人体运动参数化描述的进步,出现了一种新型机器人--康复训练机器人.而下肢康复训练机器人可以模拟正常人的行走位姿,带动下肢有运动障碍的病人进行康复训练.文中采用曲柄摇杆机构来实现人的跨步过程,分析了连杆上支点的运动轨迹;利用曲柄摇杆机构中增加的连杆和滑轨来实现脚踝的运动,分析了踝关节的运动相位,且与步态运动相协调;通过Matlab和ADAMS的运动仿真优化该机构的设计,并通过实验验证优化结果的合理性,整体简化了下肢康复训练机器人结构,降低成本.     

三次样条插值方法在Nao机器人步态规划中的应用

以仿真Nao机器人为研究对象,将三次样条插值方法应用到其步态规划中,根据关键时刻主要节点位姿规划整个步态周期各关节的运动规迹,首先分析了Nao机器人行走过程,获取步态周期中关键时刻的位姿;然后构造三次样条插值函数,对Nan机器人步态进行规划,保征了机器人步态的平滑性:最后通过RoboCup3D仿真平台验证了方法的自效性...     

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。