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。

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。

老年骨质疏松症下肢可穿戴外骨骼研究进展

骨质疏松症是当今世界面临的重要公共卫生问题。下肢可穿戴外骨骼是一种新型的人体运动辅助机器人技术,用于预防及治疗老年骨质疏松症及其并发症,是切实可行的一个研究方向。下肢可穿戴外骨骼分为刚性与柔性两类。目前国内外医学界与机械物理行业已经推出众多外骨骼设计理念与产品。本文对下肢可穿戴外骨骼系统的研究进展进行综述。

穿戴式外骨骼康复机器人结合Bobath技术对脑卒中偏瘫患者的影响

目的探讨穿戴式外骨骼康复机器人结合Bobath技术对脑卒中偏瘫患者步态、平衡能力、下肢运动Fugl-Meyer功能量表(FMA)评分的影响。方法纳入2020年11月—2022年11月我院收治的78例脑卒中偏瘫患者,按照数字列表法随机分为观察组与对照组,每组39例,对照组予以Bobath技术训练,观察组在对照组基础上予以穿戴式外骨骼康复机器人训练,干预8周。比较两组干预前后的步态参数(步频、步速、跨步长比率)、平衡能力[Berg平衡量表(BBS)]、下肢运动功能FMA评分、日常生活活动能力[改良Barthel指数(MBI)]、下肢肌力恢复情况(屈髋肌力、伸膝肌力)。结果干预前,两组各指标差异无统计学意义(P>0.05);干预后,两组步频、步速、跨步长比率、BBS评分、下肢FMA评分、MBI评分、屈髋肌力、伸膝肌力较干预前显著升高(均P<0.05),观察组步频、步速、跨步长比率、BBS评分、下肢FMA评分、MBI评分、屈髋肌力、伸膝肌力高于对照组(均P<0.05)。结论穿戴式外骨骼康复机器人结合Bobath技术可改善脑卒中偏瘫患者步态和平衡能力,促进下肢运动功能恢复,提高日常生活活动能力,增强患者下肢肌力。

可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统安全性设计评价

可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统的安全性主要取决于系统的机械结构设计、驱动器的选择和布置、保护措施和安全控制策略的设计。为了提高系统的安全性及保护操作者与周围人群的安全,通过对可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统设计、使用、维护过程中的要点进行分析,提出了系统安全性评价方法,为今后柔性外骨骼人机智能系统的发展提供了参考。

无源被动负重型外骨骼对单兵满负荷行走运动的步态分析研究

目的研究单兵使用无源被动负重型外骨骼(简称外骨骼)后对满负荷下行走的运动功能影响,为未来推广应用从而提升单兵负荷转运及改善该系统提供理论依据。方法试验中的无源被动式负重型外骨骼主要由绑缚带、背囊和背架、腰部组件、腿部组件等组成。招募14例男性志愿者,年龄24~37岁,平均年龄27.9岁(标准差3.17岁);身高169.0~185.0 cm,平均身高174.7 cm(标准差5.3 cm);体质量67.5~90.0 kg,平均体质量74.9 kg(标准差6.9 kg);身体质量指数22.6~27.9 kg/m^(2),平均身体质量指数24.5 kg/m^(2)(标准差1.6 kg/m^(2))。在穿戴外骨骼和背负25 kg背囊测试后,以问卷形式和三维红外捕捉步态分析检测,对工作效率、人体生理耐受、安全性、舒适性、移动灵活性、使用意愿和步态时空参数进行评分和量化评价。步态数据在Nexus V2.9软件中经三维建模,分析获得时空参数结果,并统计学分析各组数据。结果穿戴外骨骼可使负重行走时间平均缩短2.2 s,工作效率提高14.2%。穿戴外骨骼可使最大负重能力提高5kg。穿戴外骨骼将导致行走过程中膝关节最大活动角度平均丧失8°。有2例受试者发生了肩部皮肤轻微发红,没有发生重心不稳等安全事件的情况。使用无源被动负重型外骨骼后,测试者主观评估的舒适性(75.0±7.6)(60~90)分,移动灵活性(69.3±7.3)(60~80)分,使用意愿(72.1±7.0)(60~90)分。未穿戴外骨骼时,测试者背负25 kg后,步频、双足支撑时长、单足支撑时长和步速有显著性改变(P<0.05),而穿戴外骨骼后,测试者的步频、双足支撑时长、单足支撑时长和步速改变差异无统计学意义。结论单兵满负荷行走运动时,穿戴无源被动负重型外骨骼后可提高工作效率及最大负重能力,但会减小关节最大活动度,穿戴者仍自觉较高的舒适性和移动灵活性,愿意反复使用;步态分析证实,穿戴无源被动负重型外骨骼后,单兵满负荷行走运动功能可获得增强。

穿戴式外骨骼膝关节三铰点机构优化设计

研究穿戴式外骨骼的工作原理,建立数学模型,采用MATLAB软件,应用粒子群算法开发了一套膝关节三铰点机构的优化设计系统来代替人工设计。粒子群算法是一种基于鸟群的智能优化方法,对于多目标、多约束条件的三铰点机构优化设计能够有效求解。仿真实践证明了该方法的有效性。

可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统可靠性及应用伦理问题研究

近年来,外骨骼系统已成为机器人、机电一体化、人工智能等研究领域的热点。但值得一提的是外骨骼系统需要人穿戴外骨骼进行操作,外骨骼任何一个"非理性"的动作都可能对操作者造成严重的伤害。因此,外骨骼系统必须有很高的可靠性。本文提出了可穿戴式柔性外骨骼人机智能系统可靠性设计原则,并建议对可能引起伦理争议的系统应用进行约束,为今后柔性外骨骼人机智能系统的发展以及人和智能机器的和谐共存提供参考。

可穿戴下肢外骨骼康复机器人研究现状与发展趋势

介绍了国内外可穿戴下肢外骨骼康复机器人的研究现状,指出了该领域目前研究的热点问题。分析了可穿戴下肢外骨骼康复机器人在设计生产中的驱动系统、感知系统、控制系统、人机匹配技术、人机交互技术和电池及管理技术等6种关键技术,指出了未来国内在可穿戴下肢外骨骼康复机器人的研发方面应注重结构模块化及控制系统智能化,在康复效果监测方面应建立完善的康复效果评价系统等。

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。

可穿戴下肢外骨骼结构及自适应鲁棒控制研究

外骨骼助行机器人具有非线性和强耦合性特征,控制策略设计是下肢外骨骼助行机器人试验样机设计的关键。针对传统线性PD控制存在外骨骼助行机器人动力系统稳定性不高的问题,采用一种自适应鲁棒PD控制策略对下肢外骨骼助行机器人进行控制设计。基于逆动力学方法建立外骨骼二自由度连杆机构动力学方程,基于MATLAB/Simulink平台分析下肢外骨骼助行机器人动力学模型的稳定性,结果表明,在外部信号扰动下系统模型的响应时间短,关节位置跟踪误差能快速趋于0,验证了自适应鲁棒PD控制策略控制外骨骼助行机器人具有良好的稳定性。仿真获得了髋、膝关节的力矩曲线,髋、膝关节的力矩均小于100 N·m,为下肢外骨骼的结构与驱动优化设计提供数据支持。

一种基于磁流变效应的外骨骼作动器设计及分析

针对穿戴式外骨骼长时间保持姿态困难、驱动系统刚度难以精准控制等问题,设计了一种基于磁流变效应的外骨骼作动器,实现人体长时间站立、蹲坐等姿态保持以及刚柔耦合自适应调整,有效提高穿戴舒适性及随动性。采用SolidWorks、Maxwell及MATLAB联合仿真技术对外骨骼作动器不同状态进行了相关磁场力分析实验,实验结果表明,外骨骼作动器在4A电流驱动下,在在θ=π/2角度时能够实现最大379N的输出力。

可穿戴上肢外骨骼机器人的算法和仿真

针对可穿戴上肢外骨骼机器人的传统PID控制算法稳定时间长、偏差较大等特点,分析了可穿戴上肢外骨骼工作原理和结构,建立了人体上肢外骨骼的控制模型,提出了具有自适应性、精确性、快速响应性等特点的自抗扰控制算法,从而达到外骨骼快速跟随手臂和手臂平稳控制外骨骼的目的。通过对PID算法、非线性跟踪微分器(TD)、非线性扩张状态观测器(ESO)、自抗扰控制算法的理论分析和Matlab仿真,得到了更直观的运动学数据:关节的最大偏差和达到稳定的时间。比较分析这几种算法的数据可知,自抗扰控制具有响应迅速、动态补偿、超调量小的优点。制作了试样关节、控制电路、驱动电路,并编写了对应的调试程序。试验结果表明,自抗扰控制算法可以更好地控制上肢外骨骼机器人,具有良好的实际控制效果。

穿戴式颈椎外骨骼控制系统研究

目的 颈椎病的发病率呈逐年递增及年轻化的趋势,而市面上的颈部康复设备普遍存在智能化不足,体积过大或者是使用场合受限等情况。笔者提出一种穿戴式颈椎外骨骼控制装置,对实现其功能的控制系统进行研究。方法 可穿戴式颈椎外骨骼结构基于6连杆Stewart(斯图尔特)结构设计,包括电机驱动模块、固定支撑模块和活动关节组件。试制机械实验样机,重点对其控制系统的人机交互、动力驱动及主控制等模块进行设计与系统集成,并对实验样机进行功能测试。结果 穿戴式颈椎外骨骼控制装置能够实现纵向牵引和前屈/后伸15°/30°、左/右侧屈20°/-20°、左/右旋转15°/-15°等三维运动。该控制系统运动康复试验符合人体颈部康复训练相关舒适范围。结论 实验设计的控制系统能够实现穿戴式颈椎外骨骼控制装置牵引与3个自由度运动康复训练治疗功能,运动范围达到预期要求,证明了该穿戴式颈椎外骨骼控制系统原理的可行性。

基于Featherstone算法的穿戴式外骨骼机器人高效动力学计算研究

穿戴式外骨骼机器人的动力学计算,是实现精准控制、驱动电机选型的前提条件。穿戴式外骨骼机器人一般具有较多自由度,传统方法无法解决其动力学计算问题。文章采用Featherstone刚体动力学算法,对其高效动力学计算进行研究,并根据机器人的运动树连通图,建立了机器人系统的整体几何模型,通过将几何模型转换为参数代入MATLAB,运用Featherstone逆动力学算法求出在一个步态中各关节所需的驱动力矩。

基于气动比例技术的下肢康复训练外骨骼机构控制

目前,下肢步态康复训练外骨骼机构主要是由电机驱动,造成系统刚性大、柔性差,满足不了人体康复训练安全性和舒适性的要求。结合气压驱动在康复医学上的优点以及气体的可压缩性、柔顺性和安全性等特点,研究了一种结构简单,利用气动比例技术驱动的可穿戴外骨骼机构。依据三维设计技术和仿真分析,建立数学模型。采用PLC和气动比例方向阀实现气动位置伺服控制。实验表明:该外骨骼机构具有运动轨迹连续、控制效果好和安全性强等特点。

基于ANSYS Workbench的外骨骼膝关节机构优化设计

在外骨骼机器人开发早期阶段引入结构轻量化思想,建立外骨骼机器人三维实体模型及有限元模型,通过优化过程,找到外骨骼机器人大腿形状、尺寸、结构、质量等参数的最佳值,提高了外骨骼机器人的低阶固有频率,避免了共振的发生,为结构的改进提供了可靠地参考依据。最终得到的外骨骼机器人大腿方案减重3.6933kg,减重率达到14.3%。

柔性膝关节保护外骨骼及其行走助力方法设计

设计柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼,用于实现人体运动过程中膝关节负载减重及行走助力功能.根据人体生物力学特点,使用固体各向同性材料惩罚(SIMP)模型与有限元分析设计柔性外骨骼膝关节,该柔性关节在行走运动支撑期具有刚性,能够减轻膝关节体重负载,在摆动期柔性较强,能适应人体生理关节运动特性,不对膝关节造成额外载荷.在柔性可穿戴式膝关节外骨骼结构的基础上,配套设计行走助力模块,研究相应的助力控制方法可以实现步行助力.性能测试实验表明,单侧膝关节保护外骨骼最大能减轻110 N的膝关节负载,外骨骼结构自身质量为639 g,减重比大;带行走助力模块的外骨骼系统质量为4.8 kg,能实现步行运动的助力功能.

基于步态的下肢康复用外骨骼机器人运动分析

穿戴式下肢助行外骨骼机器人是一种能够帮助行走不便的老人和具有行走功能障碍的患者进行辅助行走的仿人服务机器人,其康复训练设备已提升为国家战略性研究项目,越来越得到重视。通过对人体下肢运动机理以及步态的研究,并基于动力学仿真软件Adams对外骨骼机器人的受力和步态进行仿真分析,验证步态的合理性,同时对以后行走的合理性提供依据以及为进一步设计出一种新型穿戴式下肢助行外骨骼机器人样机提供参考。

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。