中药热敷结合运动疗法对老年膝骨关节炎患者跨越障碍物时疼痛、关节力矩和动态稳度的作用

目的 探索8 w中药热敷结合运动疗法对老年膝骨关节炎(KOA)患者跨越障碍物时疼痛、膝关节矢状面力矩及动态稳度(MOS)的作用。方法 选取27例KOA患者,随机分为实验组(n=13)和对照组(n=14)。实验组接受中药热敷结合运动疗法,对照组仅接受运动疗法。干预前、后,采用疼痛视觉模拟评分(VAS)对疼痛进行评分,采用红外三维动作捕捉系统(UK)和三维测力台同步采集受试者患侧腿领先跨越10%腿长障碍物时的运动学和动力学数据。结果 与干预前相比,干预后实验组和对照组VAS明显降低(均P<0.001),实验组领先跨越足跟着地时前后方向的MOS显著减小(P<0.001),实验组和对照组支撑前期最大膝伸展力矩(KEMps)显著增大(P<0.05),且实验组改善程度均优于对照组(P<0.05)。结论 相较于单一的运动疗法,8 w中药热敷结合运动疗法缓解KOA患者跨越障碍物时疼痛、改善膝关节矢状面力矩及MOS更有效。应在实施运动疗法之前增加中药热敷促进KOA患者的康复。

基于统计参数映射弹性护踝对蹬跨步时下肢关节力矩的影响

目的踝关节损伤是运动中最常见的损伤,严重影响比赛成绩和运动表现,有研究认为弹性护踝能够有效预防踝关节损伤,但可能对膝关节产生影响。因此,本研究旨在通过统计参数映射分析弹性护踝对蹬跨步动作时下肢关节力矩的影响,比较整个蹬跨阶段中有无弹性护踝时的数据差异,为预防踝关节损伤提供参考。方法随即招募14名测试者,要求近1年无下肢损伤,在不佩戴弹性护踝和佩戴弹性护踝时,进行蹬跨步动作,使用Qualisys和测力台同步捕捉生物力学数据,使用统计参数映射配对样本t检验,对比分析有无弹性护踝情况下,踝关节内外翻力矩和膝关节内外翻力矩的异同。结果佩戴弹性护踝时,蹬跨步蹬跨阶段的踝关节内外翻力矩在51%~70%支撑阶段显著低于不佩戴弹性护踝(P<0.01);同时,佩戴弹性护踝和不佩戴弹性护踝两种条件下,膝关节内外翻力矩在蹬跨阶段没有显著性差异。结论相对于传统统计学方法,统计参数映射能够更加精确揭示具有显著性差异的局部特征。本研究结果显示,在支撑期51%~70%时,弹性护踝能够减少踝关节内外翻力矩,减少踝关节损伤的风险,同时,未发现蹬跨阶段膝关节内外翻力矩的显著性差异,表示弹性护踝未对膝关节产生显著影响。

基于运动学数据和表面肌电信号的下肢关节力矩预测

目的人体运动过程中,关节力矩是体现关节内部承载的一项重要指标,无法直接测量。本文结合表面肌电信号和运动学数据,通过深度学习方法建立下肢关节力矩预测模型,可以获得运动过程中的下肢关节力矩。方法使用运动捕捉系统采集20位受试者在进行正常行走、上楼梯、下楼梯时的运动学和表面肌电数据,以关节角度、角速度、表面肌电积分肌电值、均方根幅值和波长作为神经网络的输入,使用Anybody运动仿真软件计算出的关节力矩作为输出,其中80%的数据作为训练集,10%为验证集,10%为测试集。通过结合LSTM长短期记忆网络和注意力机制,搭建深度学习模型对人体下肢髋、膝和踝关节在矢状面、冠状面和横截面的关节力矩进行预测。结果本文提出的模型在预测髋、膝和踝关节矢状面、冠状面和横截面的关节力矩方面表现出色,准确度高于传统深度学习和机器学习模型,模型在矢状面中预测效果最佳,相比于膝和髋关节,踝关节预测效果更好。模型的预测结果与实际测量值之间的相关性非常高,表明模型能够可靠地预测关节力矩。结论结合LSTM和注意力机制的深度学习模型能够有效预测人体下肢关节在不同运动模式下的力矩。该模型为理解人体运动机制、辅助康复训练和设计外骨骼设备提供了思路和方法。

脱水状态下成年女性跨越障碍物时引导腿下肢关节力矩

目的探讨成年女性在不同水合状态下跨越不同高度障碍物时引导腿下肢关节力矩的变化。方法招募18名成年女性在步态实验室进行越障实验,12个摄像头组成的三维动作捕捉系统(Vicon 512,Oxford Metrics Group,UK)和两个测力台(AMTI,BP600900,USA)用于数据采集。实验中所有受试者共参与3次实验,第1天为脱水前(EUH),第二天实验为脱水(DEH)、补液后(REP)。障碍物高度分别为受试者腿长(LL,同侧髂前上棘到内髁的距离)的10%、20%和30%。实验数据使用MATLAB(R2022a)进行分析,双因素重复测量方差分析被用来比较3组别(EUH、DEH、REP)×3障碍物高度(10%LL、20%LL、30%LL)对下肢策略的影响,显著性水平为P<0.05。结果当引导腿跨越障碍物时,组别和障碍物高度之间不存在交互作用(P>0.05)。与EUH和REP相比,DEH的髋关节伸展力矩和踝关节跖屈力矩显著较小(P<0.001),而DEH的膝关节屈曲、外展力矩以及踝关节外展力矩显著较大(P<0.001);对于障碍物高度的主要效果,跨越30%LL障碍物高度的髋关节外展力矩、膝关节外展力矩和踝关节跖屈力矩显著小于跨越10%LL障碍物高度(P<0.05)。结论脱水组运动系统表现显著的动力学变化,随着障碍物高度的增加,肌肉需求减少,这导致越障过程中的风险增加。

关节力矩反馈型协作机器人的阻抗控制研究

针对机器人和环境接触的作业任务,一般方法是利用六维力矩传感器实现阻抗控制,本文利用关节力矩传感器研究阻抗控制。首先,根据拉格朗日法建立动力学模型,基于关节力矩传感器建立阻抗控制模型;然后,根据阻抗控制算法做金相试样的打磨实验;最后,利用六维力矩传感器做对比实验,分析末端输出力的效果和改变不同阻抗参数对阻抗效果的影响。结果表明:基于关节力矩传感器的阻抗控制策略能够实现对输出力的控制,阻抗控制中力和位置能够同步稳定;惯性参数Mz越小,系统振荡越明显,稳定时间越长,但Mz不影响稳态误差;随着阻尼Bz的增加,响应速度变快,超调变大,但也不会影响系统的稳态误差;Kz主要影响系统的稳态误差,Kz越大,稳态误差越大,且系统越难稳定。所以基于关节力矩传感器的阻抗控制方法,可以完成机器人和环境接触的作业任务,力控制的精度可满足要求。

考虑在轨运动可靠性的空间机械臂关节力矩优化方法

提出一种考虑在轨运动可靠性的冗余度空间机械臂关节力矩优化方法。首先将机械臂操作空间中点到点的转移任务从笛卡尔空间转换至关节空间,利用七次多项式插值法对各关节变量进行参数化处理,获得粒子群算法的优化控制参数;与传统路径规划方法不同,将机械臂各关节力矩的均值和最小作为粒子群算法优化求解的目标函数;依据该目标函数以及相应优化控制参数,利用粒子群算法对空间机械臂运行轨迹进行优化求解,得到机械臂关节力矩均值和最小的运行路径。仿真实验表明,相比传统路径规划方法及以关节力矩二范数为目标函数的关节力矩优化方法,在降低冗余度空间机械臂关节力矩均值方面,文中方法分别减小了33.57%和10.47%;在降低关节力矩最大值方面,分别减小了43.25%和6.19%。

冗余度机器人具有最小关节力矩的关节轨迹规划

对冗余度机器人最小关节力矩的关节轨迹规划进行了研究，提出了一种具有变系数复合指标的关节轨迹规划方法。该方法利用关节力矩和关节加速度构成一总目标函数，并由变系数根据耐要自动地调整关节加速度项对总目标函数的影响程度，从而既降低了关节力矩的最大值又不使其平均值增加过多，提高了算法的全局稳定性。最后，本文还给出了一个平面３Ｒ机器人的仿真实例。

利用表面肌电信号的下肢动态关节力矩预测模型

为实现表面肌电信号的下肢关节力矩动态解码,建立了从表面肌电信号到关节力矩输出的人体下肢运动系统正向生物力学模型。首先,从幅值和频率两个角度建立表面肌电信号到骨骼肌激活程度模型;其次,根据肌丝滑移理论,构建反映骨骼肌生理结构和微观力学特性的肌肉力模型,同时确定活动肌肉拉力线方向及力作用点位移矢量,将骨骼肌力转换到关节力矩;最后,以牛顿-欧拉逆动力学方法获得关节力矩作为准确值,给出正向生物力学模型参数动态标定方法。在模型基础上,对4名对象进行随意步态下膝关节屈伸动态力矩预测试验,结果表明:所建模型对步态行走下的膝关节动态关节力矩具有很好的动态跟踪性能,最大绝对误差为(11.0±1.32)N·m,平均残差为(4.43±0.698)N·m,预测值与准确值之间的平均线性相关系数为0.927±0.042,验证了该方法的正确性和有效性;可为康复训练机器人人机协同过程中的力学交互模式研究提供接口。

机器人多指灵巧手基关节力矩/位置控制系统的研究

HIT- 1型机器人手是一种具有多种感知功能的仿人多指灵巧手 .目前对多指手单关节单自由度控制的研究较多 ,而对两自由度的手指基关节的研究却较少 .本文分析了 HIT- 1型手两自由度基关节的运动学和动力学模型 ,并在此基础上建立了基关节的位置和力矩反馈控制系统 .本文采用工业中常用的 PID控制算法分别实现了手指基关节在自由空间的位置控制和在约束空间的力矩控制 ,并对实验结果进行了分析 .

优秀短跑运动员途中跑时下肢关节力矩及肌群功率分析

目的:量化分析优秀短跑运动员途中跑步态中下肢各关节力矩的贡献成分及下肢肌群的做功情况。方法:采集8名优秀短跑运动员在塑胶跑道上途中跑时完整步态的二维运动学数据(300 Hz)及地面反作用力(1200 Hz)数据,利用环节互动动力学方法分析下肢各关节力矩,并计算各关节角度变化和下肢各关节肌群功率变化。结果:在支撑阶段,主要起控制作用的关节力矩为肌力矩和外力矩。摆动阶段,主要为肌力矩和惯性力矩。在快速跑的完整步态中,髋关节伸肌群、膝关节屈肌群及踝关节跖屈群功率峰值均分别显著高于髋关节屈肌群、膝关节伸肌群及踝关节背屈肌群功率峰值;同时,髋关节伸肌群和膝关节屈肌做正功时功率峰值均显著高于其做负功时功率峰值,踝关节跖屈肌群做负功时功率峰值显著高于其做正功时功率峰值。结论:快速跑时,地面反作用力在支撑期及各环节惯性力在摆动期对下肢运动及各关节肌群的工作性质产生主要影响;短跑训练中,应重视髋关节伸肌群的快速主动收缩(做正功)能力,膝关节屈肌群及踝关节跖屈肌群的快速退让性收缩(做负功)能力的训练。

空间冗余度机器人最小关节力矩的轨迹规划

许多工程机械的工作装置属于冗余度机器人的范畴 ,该类机械施工控制自动化所涉及到的轨迹规划问题 ,一直受到人们的重视·采用冗余度机器人运动学的最小关节力矩法 ,对空间4R冗余度机器人的关节轨迹的运动规划进行了分析仿真·实验表明该方法实际可行 ,运动学和动力学的工作特性良好·

利用二次优化实现柔性冗余度机器人关节力矩最小化研究

对基于振动抑制的柔性冗余度机器人关节力矩的最小化进行了研究。通过分析影响柔性机器人弹性动力响应的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人动态性能的结论。在此基础上,通过对柔性冗余度机器人的关节运动进行研究,提出了通过自运动的适当选取从而抑制机器人柔性振动的方法。通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人在实现振动抑制的基础上还具有二次优化的能力,并且利用这种二次优化的能力得出了基于振动抑制的最小化关节力矩的方法。数值仿真验证了该方法的有效性。

基于肌电信号的膝关节力矩识别方法

针对动力型膝上假肢力矩控制问题,提出肌电信号(EMG)驱动模型与支持向量机回归模型相结合的膝关节力矩识别方法。首先,采集表面肌电信号分析肌肉力活性,建立EMG驱动模型计算残肢膝关节力矩。然后,建立支持向量机回归模型预测动力型假肢需提供的助力,驱动电机使其实现期望运动。仿真实验结果表明:该方法能够成功地识别膝上假肢所需提供的助力,所选方法具有可行性。利用残肢肌电信号可以识别膝关节力矩,为动力型膝上假肢的力矩控制提供了理论依据。

三分支机器人优化关节力矩的轨迹规划

基于旋量理论,采用分离影响系数法建立三分支机器人运动学和动力学方程,运用最小范数广义力计算策略优化协调操作臂载荷分配。在此基础上,结合搬运物体的协调操作实例,通过比较最小关节范数法和最小关节力矩法两种规划的优缺点,提出了改进的三分支机器人优化关节力矩轨迹规划方法。仿真结果给出了不同方法条件下,轨迹长度变化对关节角度及力矩大小的不同影响,并验证了改进方法的有效性。

基于关节力矩的柔性关节机器人的控制策略

由于关节柔性降低了系统的带宽并影响系统的鲁棒稳定性,因此,采用基于关节力矩负反馈的控制策略。通过减小电机端有效惯量的方法可以大大提高系统带宽并增强鲁棒稳定性;在机器人的控制上,采用一种基于全状态反馈的复合控制结构,证明了系统的稳定性,并在现有的机械臂上实现了位置和阻抗控制实验,验证了该控制策略的有效性和可行性。

康复机器人辅助人体站立的关节力矩模拟与试验研究

无法站立患者的康复训练往往依赖于家人和专业理疗师辅助完成,但人工辅助训练既无法保证每次站立都沿相同轨迹完成,又无法保证足够的训练强度[1].专业的辅助站立训练器具可以解决上述问题,但目前的辅助站立器具存在如下缺点：无法保证辅助站立轨迹的精度,控制器易受噪声信号的干扰,无法记录训练参数等.对站立过程分析可知,患者在站立时需要足够的关节力矩来保证身体的平衡并防止摔倒[2-3].针对上述问题,本文设计了康复机器人系统,目的是为了结合患者主动力和机器人辅助力来完成站立训练,并保证对站立轨迹的精确追踪.

结合机器人柔体动力学和关节力矩反馈的振动控制

工业机器人的柔性传动部件降低了关节刚度,导致机器人末端存在振动问题。首先对柔性关节控制系统建模,分析其振动特性,并简述关节力矩反馈控制(joint torque feedback,JTF)的抑振原理。由于大部分商用工业机器人无配置关节力矩传感器,且存在重力项力矩和摩擦力矩,故建立柔体动力学方程并给出基于最小二乘法(ordinary least squares,OLS)的参数辨识方法,对重力项力矩和摩擦力矩进行估计,进而提出实时关节力矩估计方法。最后基于六自由度工业机器人搭建试验平台,柔体动力学参数辨识试验结果表明所述动力学模型能准确估计电机力矩,满足反馈控制的应用要求。振动控制试验中,在比例控制下,圆弧和直线振动信号能量最大分别减少达27.61%和26.25%;在比例-微分控制下,最大分别减少达37.56%和41.00%;在改进的“补偿+比例-微分控制”下,最大分别减少达38.32%和45.63%,验证了基于动力学模型的关节力矩反馈振动控制方法的有效性。

高跟鞋对女大学生行走时膝关节力矩的影响

目的:通过逆向动力学法计算健康女大学生赤足与穿高跟鞋2种状态下行走时膝关节力矩,分析穿高跟鞋是否显著增加膝关节负荷,探讨穿高跟鞋后女大学生走路机制的改变规律。方法:将Vicon系统捕捉的运动学参数,AMTI测力台采集的动力学参数,结合人体环节参数,输入逆向动力学公式计算三维膝关节力矩,比较2种状态的异同。结果:(1)支撑阶段的前80%时相,穿高跟鞋增加19%屈曲力矩,增加39%伸展力矩。多出的屈曲与伸展力矩增加了股四头肌拉力负荷,并通过髌骨上方韧带以压力形式施加给髌股关节;最后蹬离地面时相,穿高跟鞋减少21%屈曲力矩。大幅减少屈曲力矩可能会减弱支撑腿最后蹬离地面的推力。(2)穿高跟鞋提前了所有内收力矩峰值出现时相,并增加9%第1力矩峰值和5%第2力矩峰值。增大内收力矩会增加膝关节内侧关节囊负荷。这种补偿性牵拉可能会破坏膝关节原有的平衡控制能力。(3)穿高跟鞋使外旋力矩到内旋力矩过度时相提前12%,并增加18%外旋力矩和11%内旋力矩。蹬离地面瞬间是穿高跟鞋人群维持身体竖直体态的最薄弱阶段,即关节损伤可能多发生在此时期。(4)穿高跟鞋增大了前进方向的制动力,减小了推动力。结论:高跟鞋显著性的改变了健康女大学生行走时膝关节原有力矩特征。

基于GWLN方法的冗余机械臂关节力矩约束控制

针对冗余机械臂受到的关节驱动力矩有限的约束,提出基于广义加权最小范数法(GWLN)的算法.通过引入辅助变量,考虑重力和科里奥利力的影响,排除现有方法对机械臂低速运行的假定.在逆运动学求解时,对扩展变量的加权范数优化,使得规划关节加速度所需的力矩指令保持在驱动器输出范围之内.该算法的有效性通过数学证明得到验证.在MATLAB ROBOTIC TOOLBOX中对PUMA560机械臂的仿真结果证实,基于GWLN方法控制的机械臂在遵循关节力矩约束的同时,准确地完成操作任务.同零空间力矩优化方法及现有加权方法的仿真结果对比显示,基于GWLN方法的控制算法能够更加有效地保证力矩约束,具有更好的稳定性.

外骨骼机器人系统中人体下肢关节力矩动态解算

利用下肢外骨骼关节位移传感器及惯性导航单元采集人体运动信息,计算获得下肢髋、膝关节的相对角度以及躯干的姿态和加速度,通过动力学逆解实时解算穿戴者运动所需的关节驱动力矩。在此过程中,利用人体五杆模型,对人体下肢的运动进行了运动学和动力学分析,通过Matlab/Simulink软件编程求解,得到了人体下肢关节在连续步态周期内关节力矩的变化,通过对比计算获得的支撑踝关节力矩值与足底力传感器实测值,证明了关节力矩求解方法的正确性,保障了外骨骼机器人能够根据此力矩对穿戴者提供助力。