国产可穿戴机器人问世 让一切皆有可能

耳聪患者戴上助听设备就可以重新获得听觉能力，那是否可以让无法行走的截瘫患者穿上一套外骨骼机器人，就可以像普通人那样迈步行走？科技的快速发展，让一切皆有可能。

可穿戴机器人的研究现状和面临的挑战

本文以基于外骨骼的研究进展和社会不断增长的需求为背景,阐述可穿戴机器人的研究现状以及具有代表性的传感器技术。同时,对使用特殊的基于跑步机平台的康复疗法和使用功能性电刺激疗法来完成运动修复的情况进行了回顾。最后讨论了可穿戴机器人在智能空间中集成方面的问题,并提出了一些重要的关键技术。

可穿戴机器人改善脑卒中患者平衡及步行功能的疗效观察

目的探讨可穿戴机器人改善脑卒中患者平衡及步行功能的临床疗效。方法将符合条件的脑卒中患者80例按随机数字表法分为观察组和对照组,每组40例。对照组予以常规康复联合可穿戴机器人无助力治疗,观察组予以常规康复联合可穿戴机器人助力治疗,可穿戴机器人治疗为1次/日,每次20 min,6次/周。分别于治疗前和治疗4周后(治疗后),采用Berg平衡量表(BBS)评分和功能性步行分级(FAC)评分对2组患者的平衡能力及步行能力进行评估,用Prokin平衡仪测定2组患者的运动轨迹长度和面积,利用可穿戴机器人系统测定患侧步长和步速。结果治疗后,2组患者的BBS评分、FAC评分、运动轨迹长度、运动轨迹面积以及步长和步速等各项指标均较组内治疗前显著改善(P<0.05);观察组治疗后的BBS评分、FAC评分、运动轨迹长度、运动轨迹面积、患侧步长和患侧步速分别为(43.31±2.21)分、(4.63±0.50)分、(372.51±95.41)mm、(625.31±127.97)mm 2、(0.54±0.04)m、(0.70±0.05)m/s,明显改善优于对照组治疗后[(39.63±2.49)分、(3.97±0.28)分、(455.18±104.50)mm、(763.37±132.91)mm 2、(0.41±0.02)m、(0.48±0.03)m/s],且组间差异均有统计学意义(P<0.05)。结论常规康复联合可穿戴机器人助力治疗可显著改善脑卒中患者平衡及步行功能,且较单独使用常规康复治疗的疗效好。

可穿戴外骨骼机器人驱动技术的研究进展

介绍了可穿戴外骨骼机器人驱动技术的研究现状,分析了各类驱动技术及致动器的优缺点及适用情景,指出了高性能微电动机、新型致动器、驱动模块化、驱动智能化是可穿戴外骨骼机器人驱动技术的未来发展方向。

面向柔性外骨骼机器人的纺织材料研究现状

基于纺织材料的柔性外骨骼机器人有效解决了刚性外骨骼机器人顺应性差、笨重、穿戴舒适性差等问题。文章介绍了柔性外骨骼机器人的发展现状,重点介绍了主要的驱动结构(包括线驱动、气动肌肉和液压驱动等),柔性外骨骼机器人主要采用的纺织材料(形状记忆材料、电活性聚合物、碳纤维和水凝胶材料等),并剖析了纺织材料在柔性外骨骼领域应用所面临的困难,并提出了今后的发展方向。

可穿戴外骨骼机器人研究现状

近年来,随着国家人口老化现象的加剧及生产力发展的需求,可穿戴外骨骼机器人在军队、医学和物流等领域获得广泛的重视与研发。该文对国内外可穿戴外骨骼机器人的研究现状进行总结,讨论当前制约可穿戴外骨骼机器人发展的难点,并展望可穿戴外骨骼机器人的发展趋势。

模块化可穿戴外骨骼上肢机器人的结构设计与分析

基于人机智能技术设计了一种模块化可穿戴外骨骼上肢机器人系统,能够在电机的驱动下,通过柔索传动储能机构实现肩关节内旋/外旋、屈曲/伸展以及肘关节屈曲/伸展的动作。应用D-H法对机器人进行了运动学分析,建立了运动学方程。轻量化设计以及穿戴运动的便捷,使机器人系统在中风偏瘫等脑血管病患者的康复治疗、改善高强度重体力劳动者的工作状况等方面有极为广泛的应用前景。

气动自平衡式可穿戴搬运助力机器人的开发

开发了一种新型的气动自平衡式可穿戴搬运助力机器人。机器人采用了重物自平衡机构,使气缸的支持力与重物能在任意位置维持力平衡,人只需要很小的力就能操纵所搬运的重物沿任意方向自由移动。该机器人具有结构轻便、控制系统简单、穿戴方便、助力大、便于操控的特点。为了验证机器人的原理,制作出了机器人样机,并进行了不同载荷条件下的搬运实验。实验结果证明了该设计具有可行性和实用性。

可穿戴上肢康复机器人设计与研究

常规的上肢康复治疗多采用人工的物理疗法,为辅助患肢进行便捷康复训练。该文设计一种可穿戴上肢康复机器人的技术原型装置,包括机械结构、健侧模块、患侧模块和主控模块。其中,健侧模块利用六轴陀螺仪采集实时肘关节运动角度数据,经过卡尔曼滤波方法滤除干扰,改善信号的稳定性;主控模块包括医师引导和患者健侧肢体自主控制两种康复训练模式,对患者上肢受损程度进行康复训练。实验中机器人能成功采集并分析数据,其运动角度范围与正常的肘关节屈伸活动范围相同,能够辅助肘关节完成屈曲/伸展康复训练任务。此上肢康复机器人结构方便穿戴于人体,为上肢肢体功能障碍的患者康复训练提供了一种新的途径。

穿戴式助力机器人研究现状及发展趋势

穿戴式助力机器人可用于负重携行、山地作战、高原巡逻等军事领域,具有携行助力、延缓疲劳、提高战斗力等功能,是当前各国研究的热点。对穿戴式助力机器人的研究现状进行较为详细的综述,然后进行对比分析,并对穿戴式助力机器人的常用驱动方式做了分析说明。指出穿戴式助力机器人存在的问题,提出需要发展刚柔耦合穿戴式助力机器人的设想,需要重点解决仿生轻量化、高效驱动以及同步控制等关键技术,对有效提升单兵综合效能具有重要的研究价值和现实意义。

可穿戴式上肢康复机器人的运动学分析与仿真

针对三自由度可穿戴式上肢康复机器人，利用D—H法建立了机器人运动学方程。基于Pro／E软件对机器人进行建模，并导入ADAMS软件进行运动学仿真分析，依此确定了在一定输入条件下机器人的运动状态，为实际的机构控制提供了重要数据。

基于时间序列分析的可穿戴助力机器人传感器信号预测的研究

下肢可穿戴助力机器人是一种自主控制的机器人。它要求各个关节的电机根据感知系统获取的力信息和位置信息做出快速反应。为了提高下肢可穿戴助力机器人的动态响应频率,本文提出了一种新颖的基于时间序列分析的感知系统信号在线预测算法,该算法在保证系统实时性的前提下,提高了感知系统的动态响应频率。在文章的最后,对信号预测算法进行了相应的实验,实验结果表明了该算法的准确性和有效性。

可穿戴式下肢康复外骨骼机器人步态规划及仿真

通过分析人的下肢各关节的特征及自由度,设计可穿戴式下肢康复外骨骼机器人结构,利用CAD软件solidworks进行三维建模。为了实现可穿戴式下肢康复外骨骼机器人稳定行走功能,本文运用零力矩点(ZMP)判断依据进行步态规划。在机器人进行步态规划时采用三次样条插值法得到可穿戴式下肢康复外骨骼机器人各关节的平滑运动轨迹,同时,摆动腿在运动过程中脚底与地面始终平行。最后在ADAMS软件中建立可穿戴式下肢康复外骨骼机器人的虚拟样机进行运动学仿真。

一种可穿戴型下肢助力机器人足底压力信息采集系统

为了实现可穿戴型下肢助力机器人行走过程中的步态识别,需要快速且稳定地获取足底压力数据信息。针对可穿戴型下肢助力机器人感知系统灵敏性能差、响应迟缓等缺点,结合实际应用,设计了一种系统结构更加简单优化,能够实时监测足底数据的信息采集与处理系统。该系统由足底信息采集模块与信号处理模块两部分组成,通过无线传输,可以实时监测和反馈人体行走过程中足底压力分布信息。实验结果表明,系统测试的数据符合人体行走运动中足底压力变化的规律,所设计的采集系统可以实时监测人体足底压力的信息,满足信息采集要求,为后续的控制算法验证提供有效数据。

模块化可重构外肢体机器人

针对单人无法独立完成的操作任务,需要额外辅助的需求,提出并研制了一种模块化、可重构的外肢体机器人,该机器人由多个结构、功能相同的基本模块单元串联组成。为了实现模块化外肢体机器人的模块连接配置与变形重构能力,分析了基本模块单元的结构、功能需求,根据需求设计了基于舵机驱动的模块单元。每个模块单元由两个楔形子模块共轴相互转动构成,形成一个转动自由度。设计了基于磁铁吸附的机械连接机构,可以实现两个模块间的快速连接与分离;提出了双排金属触点间隔错位连接方法,保证两个模块单元间实现可靠的电气系统连接。划分了双模块串联条件下4种不同的连接方位,得出了外肢体机器人的构型配置种类与串联模块个数关系。面向具有任意模块个数、不同连接方位的外肢体机器人,建立了基于虚拟转轴的模块化外肢体机器人通用正向运动学模型。对基本模块的转动能力、承载能力、快速连接能力以及外肢体机器人在焊接过程中,辅助操作人员夹持导线、递送电话等能力进行了试验,验证了所提出的新型模块化外肢体机器人的辅助能力。

基于纺织材料的柔性外骨骼机器人研究现状

柔性外骨骼机器人凭借其便携、高效、轻量化的特点逐渐成为可穿戴机器人领域的研究热点。为了进一步探讨纺织材料与柔性外骨骼机器人的关系,首先从外骨骼机器人的应用需求出发,对刚性和柔性外骨骼机器人的优缺点及适用人群进行分析和对比;然后详细综述了涉及纺织材料的柔性外骨骼机器人的发展现状,介绍了可用于柔性外骨骼机器人的新型纺织材料;最后围绕人体运动信息检测技术、绑缚系统的安全性与舒适性以及功能性纺织技术等方面对柔性外骨骼机器人关键技术进行分析。指出纺织材料在柔性外骨骼机器人的研发与制备方面具有不可或缺的作用。

面向儿童外骨骼机器人优化设计的人机系统运动分析

目的目前外骨骼机器人在儿童康复领域的应用缺乏相关研究和理论支持,为评估外骨骼机器人应用于儿童康复的效果,对儿童外骨骼机器人步行状态下的运动功能及步态影响进行了研究。方法实验招募14名儿童,对穿戴/不穿戴外骨骼状态下的力角稳定值、步态对称性参数进行测量,对比分析相关指标特征并进行简单评估。结果研究结果显示儿童外骨骼机器人行走过程均处于稳定状态且步态对称性良好。结论儿童外骨骼机器人能初步实现儿童在行走过程的辅助作用,并对不良步态进行纠正。

助残抓取柔性外手指结构设计及抓取实验

为了解决上肢损伤患者所采用的协同和康复机构较为繁杂且昂贵的问题,课题组提出了一种可穿戴柔性外手指系统,能够与伤残手臂协同动作进行抓取。设计了欠驱动外手指本体结构,通过使用柔性关节减少了驱动器数量、结构质量及机构复杂性,同时使外手指获得了对不同外形及尺寸物体的抓取适应性;建立了外手指包络抓取过程的运动学和静力学模型;设计了外手指系统样机本体及驱动、控制模块;进行了弯曲运动仿真和样机抓取实验。仿真和实验结果表明该外手指系统能够稳定地实现对不同外形物体的包络抓取运动。该柔性外手指理论建模和结构设计具有合理性,有助于上肢损伤患者对物品进行抓取。

下肢助力外骨骼的能量耗散仿真及拓扑设计

随着助力外骨骼机器人结构的不断发展,运动能量耗散不断地被降低。目前,多种下肢关节的助力外骨骼机器人取得新的进展,然而对于更高能效比助力外骨骼机器人还缺乏有效的参考。提出基于肌肉能量消耗对比,优化设计下肢助力外骨骼机器人的拓扑结构以提高能效比。首先,仿真分析下肢肌肉群在运动过程中的能量耗散;同时为了消除不同质量和负重方式对肌肉群能量耗散的影响,采用无质量主动拓扑结构进行助力,研究在相同速度下对下肢各肌肉群能量耗散对比;再对比已有文献外骨骼顺应性的特点,优化设计下肢助力外骨骼机器人拓扑结构;最后,得到了一个主被动混合助力的拓扑结构的下肢助力外骨骼机器人。无质量主动拓扑仿真计算表明,提出的下肢外骨骼机器人的拓扑结构降低了12.8%的能量耗散。

基于可穿戴机械手臂参数估计与动力学模型分析

针对参数估计方法中存在忽略个人差异和测量设备昂贵的问题,提出了一种人体手臂惯性矩、摩擦和肌肉强度等参数的动力学建模和估计方法。建立人体手臂的动力学模型,在同时进行多关节估计的情况下,使用可穿戴机器人在人体关节附近布置驱动器,将输入应用到多个关节上。根据相关的输入和响应,从而实现对物理参数的估计。结果表明:相比单关节,所提方法考虑个人差异,采用多输入特征,既能减少误差,只有10%的位置误差出现在重力项。又可以缩短估计时间,同时估计三关节节省约6.8 s的时间,并且不需要昂贵的精密测量设备。因此,采用所提方法估计参数准确性较高,性能较优越。