基于用户体验的下肢助力外骨骼设计

为缓解中高强度、长时间徒步运动带来的肌肉疲劳损伤,设计一款下肢助力外骨骼解决该问题。并从用户体验的角度出发,探索外骨骼产品设计的新思路。确定目标用户,洞察目标用户特征与行为,复现用户使用产品时的体验路径,分析目标用户需求层次,基于用户体验对外骨骼产品进行设计定位。在调研分析的基础上对外骨骼产品进行设计定位,根据设计定位展开设计实践。基于用户体验进行下肢助力外骨骼设计,满足用户的使用舒适体验与情感舒适体验,提升产品使用效率,提高用户对产品的满意度。设计流程为外骨骼产品的设计提供了新的思路与思考方向,具有一定参考意义。

下肢助力柔性外骨骼的设计与研究

随着人类步入老龄化时代,可穿戴机器人和康复辅助系统的需求日益增长。作为近年来新兴的机器人技术,柔性外骨骼结合了柔性驱动和可穿戴机构,有效解决了传统刚性外骨骼机器人重量大、效率低、穿戴舒适性差的问题。本文针对下肢柔性外骨骼的设计与研究,从机械结构设计、上位机控制设计、核心技术及解决算法,展示了外骨骼装置的设计图纸和实物样图,并搭建了相应的控制平台。对推动柔性外骨骼的设计发展、降低人力小号、提高生产效率具有实用意义。

可穿戴式的下肢助力机械外骨骼的结构设计

为了实现人的控制与机械力量之间的结合,使人在保留自身具备的各种优点的同时具备机械的力量、速度和耐力,更加完美地发挥人与机器的功用,设计了用于实现负荷行走功能的下肢助力机械外骨骼。基于人体下肢结构特征及行走的生物学特征,结合零点力矩理论进行分析,对机器人的结构进行简化,建立了外骨骼机器人的连杆模型,设计了相应的关节驱动,满足人体下肢基本行为动作。样机实验结果表明,此结构能够给不同体型的人穿戴,有效减轻人体负重负担。

下肢柔性助力外衣的工效学设计与步态预测

为增强人体的下肢运动机能,研制一套柔性功能外衣,作为助力系统的末端执行元件包覆于人体下肢,对髋关节的前屈动作助力,并研发基于力位混合控制的外接驱动系统,初步完成下肢柔性助力外衣系统样机的搭建。在此基础上,提出以IMU为主导的自适应步态检测算法,检测频率自适应于人体运动速度,实现步态信息的高效检测,并以检测信息为基础,提出“牛顿+三次指数平滑”预测算法,实时预测人体下肢动作。研究结果表明:功能外衣具有较高的刚度和良好的穿戴舒适性,符合功能外衣的设计要求;“牛顿+三次指数平滑”预测算法可实时预测50 ms之后的髋关节角度,预测过程稳定,在人体行走过程中,预测曲线平滑性较好,精度较高,可满足助力系统的步态预测要求,为下肢助力研究提供依据。

无动力人体助力外骨骼椅的优化设计与制造

针对当前航空宇航制造业中工人频繁保持蹲姿导致肌肉酸痛、工作效率低下的状况,设计一种多连杆、可调节的下肢助力外骨骼椅。详细介绍该外骨骼椅的结构及功能,建立其运动学模型,用杆件和运动副对工作原理进行分析;推导不同情况下机构受力和各个部位长度、角度的数学表达式;完成各个支撑结构和运动结构的设计方案细节,进行有限元分析校核应力与运动学仿真干涉检查。研究结果表明:在运动过程中外骨骼与人体耦合正常无干涉,强度满足要求且能提供稳定支撑,结构设计合理,外骨骼工作情况达到设计预期效果。

外骨骼机械腿的设计与研究

可穿戴式外骨骼可以在康复训练中为使用者提供行走所需动力,大幅减少腿部负担,并矫正患者行走姿势。外骨骼机械腿还可用于劳动者的腿部助力,大大提高其所能背负的最大载荷。文中设计了一种可行的外骨骼机械结构和利用脚步压力变化来控制步态的方案,并为其开发了PLC程序。