助力下肢外骨骼双膝蹲-起立过程动力学研究

为研究助力下肢外骨骼双膝蹲-起立过程中各关节的驱动力矩,将助力下肢外骨骼视为三自由度的刚性结构系统,建立动力学模型。以达朗贝尔定理推导出双膝蹲-起立过程动力学表达式。为实现助力下肢外骨骼与人体高度偕行,对人体双膝蹲-起立运动过程进行实验分析,以MATLAB为平台分别对负重40kg和无负重下肢外骨骼各关节驱动力矩进行数值计算。根据分析结果得,膝关节在负重40kg时驱动力矩最大,峰值为209.20N·m,平均为75.85N·m;髋、踝关节驱动力矩相对较小,工作能耗低,在无负重状态下仍需9.87N·m和38.80N·m的驱动力矩,能量损失较多;踝关节为保持稳定性导致有较大波动。

助力下肢外骨骼行走过程运动学研究

助力下肢外骨骼在行走过程的各关节角的运动学规律是研究下肢助力外骨骼的关键,其行走动作与人体行走动作有着高度的偕行性。通过光学捕捉系统结合高速摄像机获得人体不同状态下行走动作的空间坐标点,建立人体行走的棍图模型,基于MATLAB平台拟合负重为0kg、10kg、30kg、50kg行走速度为3km/h、4km/h、4.8km/h、6km/h的关节角运动学方程,结合西南交通大学第二代助力下肢外骨骼计算膝关节处驱动液压缸的线速度。实验结果为液压缸的选型、驱动控制系统的设计提供了理论基础。

助力下肢外骨骼研究现状及关键技术分析

助力下肢外骨骼是一种可穿戴于人体的智能机械设备,能够大幅增强穿戴者体力或帮助有行走障碍的使用者行走。可应用于军事、救灾、医疗、体力工作等诸多方面,具有广阔的发展前景。由于其独特的优越性,近年来下肢外骨骼技术发展迅速。从负重型和康复型下肢外骨骼两个方面,综述了当前国内外研究现状,详细分析了在助力外骨骼研发中需要解决的关键技术,并展望了今后的发展方向。

助力下肢外骨骼直立行走过程研究

助力下肢外骨骼在行走过程的各关节角的运动学规律是研究下肢助力外骨骼的关键,其行走动作与人体行走动作有着高度的偕行性.通过光学捕捉系统结合高速摄像机获得人体不同状态下行走动作的空间坐标点,建立人体行走的棍图模型,基于MATLAB平台拟合负重为0kg、10kg、30kg行走速度为3km/h、4km/h、6km/h的关节角运动学方程,结合西南交通大学第二代助力下肢外骨骼计算膝关节处驱动液压缸的线速度及线加速度.实验结果为液压缸的选型、驱动控制系统的设计提供了理论基础.

基于OpenSim的柔性下肢助力外骨骼设计及仿真分析

针对目前刚性外骨骼存在穿戴舒适性差、外骨骼关节难以与人体关节匹配、对人体自由度限制较多等问题,设计了一种柔性下肢助力外骨骼,该外骨骼采用柔性弹力带储能装置,可实现行走时对人体下肢肌肉进行助力。使用OpenSim软件建立了柔性外骨骼人机交互的模拟,以实现其最佳助力方案为目标,建立了多关节助力、单关节助力人机耦合模型;研究了不同关节助力组合对人体助力的影响以及不同弹簧刚度外骨骼人机耦合模型对膝关节、髋关节和踝关节的影响。结果表明,单关节助力方案优于多关节助力方案,随着弹簧刚度的增加,当达到20 N/mm时,单踝关节助力方案助力效果最好。模拟仿真结果表明,穿戴踝关节外骨骼后与不穿戴的情况相比,在行走过程中,人体总体能量消耗、小腿主要运动肌肉受力均有所减小,减小了穿戴者的肌肉负担,达到了助力目的。

人体穿戴髋关节助力外骨骼的行走运动学分析

针对现有下肢助力外骨骼研究中缺少对关节层面的运动学分析以及缺少对髋关节外骨骼助力机制的研究这一现状,对一款髋关节助力外骨骼在多种助力模式下的运动进行采集和分析,得到被试在不穿戴外骨骼、外骨骼零助力、外骨骼低助力、外骨骼中助力、外骨骼高助力和外骨骼阻力共6种模式下的运动数据,并通过逆运动学计算和数据分析,得到关节角度曲线和步态特征。实验结果在关节层面明确了髋关节外骨骼的助力机制,可为助力外骨骼的设计和运动控制提供参考。

下肢助力外骨骼机器人自适应阻抗控制研究

当前用于人体运动增强的下肢助力外骨骼系统获得越来越多的关注。获取高精度跟随控制是下肢助力外骨骼机器人研制的主要挑战。针对当前基于位置的控制算法需要复杂的外骨骼动力学模型的问题,该文提出了基于增强学习的变参数阻抗控制算法。首先介绍了HUALEX助力外骨骼系统并对HUALEX建立简单动力学模型。基于此,提出一种基于增强学习的自适应阻抗控制算法,验证了阻抗参数对控制效果的影响,并通过仿真实验验证了该算法的有效性。

下肢助力外骨骼的动力学分析及仿真

下肢助力外骨骼是一种形似人体腿部结构,并联与穿戴者下肢外部,对穿戴者进行行走助力的机构。针对下肢助力外骨骼的行走特点,把其行走步态周期内的运动分成:单脚支撑、双脚支撑和一脚虚触地的双脚支撑三种行走模式,分别对此三种行走模式进行研究。构建动力学模型,求出各关节力矩,并通过仿真,验证其理论分析的正确性。下肢助力外骨骼的动力学研究为控制系统提供重要的理论依据,除外此研究结果也为仿人机器人的行走动力学研究提供重要的参考依据。

人机交互力对下肢助力外骨骼关节期望角度的预测

针对下肢助力外骨骼在穿戴者使用过程中人机交互力过大导致舒适性差的问题,对外骨骼关节角速度与腿部交互力产生的主动关节力矩间的映射关系进行研究,提出了将人体下肢摆动相腿部简化为以髋关节为支点的平面二杆模型,建立人体下肢摆动腿动力学模型,得到人体的重力补偿项。采用力传感单元获取人体与外骨骼之间的交互力,将外骨骼与人体间的腿部交互力转化为人体髋膝关节下一时刻运动的期望角度;分别通过S曲线映射和导纳控制模型建立了人体摆动相关节角速度与腿部交互力补偿人体重力分量后产生的关节力矩之间的非线性映射关系。实验结果表明:基于S曲线映射的期望角度预测算法和基于导纳控制模型的期望角度预测算法都实现了对外骨骼对人体运动意图的连续跟踪;基于S曲线映射的期望角度预测算法使得外骨骼跟随人体运动过程中大腿交互力峰值小于25 N,小腿交互力峰值小于20 N;基于导纳控制模型的期望角度预测算法使得外骨骼跟随人体运动过程中大腿腿部交互力峰值小于15 N,小腿腿部交互力峰值小于15 N,且关节角度曲线平滑,能够更好地识别人体运动意图,提升人机交互柔顺性。

基于增强学习的下肢助力外骨骼虚阻抗控制（英文）

提出了一种基于增强学习的变虚阻抗控制算法,其控制器设计为一个结合人机交互模型的虚阻抗控制器。为了适应不同穿戴者所产生的交互力,采用了PI2增强学习算法对控制器中的参数进行在线学习。该控制策略在一自由度外骨骼平台和HUALEX下肢助力外骨骼上进行了实验验证,证明了所提出控制算法的有效性。

下肢外骨骼助力机器人动力学建模及实验研究

下肢外骨骼助力机器人存在人-机关节是否匹配、主动关节设计是否满足人体关节运动的驱动力要求等问题。为解决上述问题,基于所设计的电液伺服驱动下肢外骨骼助力机器人,将其简化为七连杆结构,并结合步态平衡理论,采用牛顿-欧拉法构建了其摆动相与支撑相瞬时动力学模型。然后,将不同步态相位下人体运动时的角度数据、速度数据及机器人结构参数代入牛顿-欧拉动力学迭代方程,求得机器人各关节的理论驱动力矩。最后,开展ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析)仿真实验和人机协同助行实验,通过对机器人各关节的驱动力矩峰值进行比较,验证了所构建动力学迭代方程的正确性和有效性。结果表明,通过采用牛顿-欧拉法来求解下肢外骨骼助力机器人关节的驱动力矩,可为其结构优化与控制策略制定提供重要的理论支撑。

基于人机工程学的下肢助力外骨骼造型设计研究

为解决对外骨骼穿戴舒适度及造型设计研究不足的问题,文章从人体测量学、人体解剖学角度分析了影响下肢助力外骨骼设计的要素,然后根据外骨骼中的人机工程学因素明确了基于人机工程学的人体外骨骼的造型设计原则,最后阐明了人体外骨骼静态尺寸与动态尺寸的设计思路。以期提高外骨骼穿戴舒适度,为相关研究提供思路。

下肢助力外骨骼机器人运动控制研究

为解决老年人"行动不便"的问题,基于人体下肢生物力学原理,设计了一款骑乘式下肢助力外骨骼机器人。首先将外骨骼机器人简化为矢状面内的4连杆机构,利用D-H参数法建立相应的运动学模型,对其进行运动学分析;其次在Solidworks软件中完成了外骨骼机器人的机械结构设计,并利用虚拟样机技术在ADAMS软件中对外骨骼机器人进行了运动学仿真。仿真结果表明,骑乘式下肢助力外骨骼机器人能够满足人体运动,符合人体行走特征,为日后的动力学分析及控制算法研究提供了理论基础。

概率神经网络在下肢运动趋势判断中的应用

针对下肢助力外骨骼控制系统中对于穿戴者运动意图识别准确性和实时性的需求,提出一种基于肌肉激活度的人体下肢关节运动趋势的判断方法。表面肌肉的肌肉激活度可以通过肌电信号得到。首先给出典型下肢表面肌肉对应的关节活动,以地面广义作用力和运动角度数据求得肌肉激活度;然后以肌肉激活度为特征,基于概率神经网络识别关节运动趋势。实验结果表明:该方法对于平地行走的踝关节的跖屈/背屈的总准确率为79.5%,膝关节的伸直/弯曲的总准确率为85.5%;髋关节弯曲/伸直的总正确率为80.8%。

下肢助力外骨骼人机关系研究综述

本文以文献分析法梳理国内外下肢助力外骨骼的人机关系研究现状,对比分析同类产品研究关键因素,总结其关键分析点、分析方法等研究要点。叙述了对人机关系进行研究能够提高下肢助力外骨骼的使用效能,发现其研究要点主要在于改善外骨骼机械结构、协调控制方式、人体运动意图识别、使用舒适性等方面。总结出其人机研究的数据分析要点,包括人机研究内容侧重点、信息采集方式、数据分析方法和验证方式的可靠性。最后对下肢助力外骨骼人机关系研究趋势做出评述与展望,为其在人机工程学方面的研究提供参考。