下肢康复减重支撑系统的结构设计与分析

面向我国脑卒中和老龄化等原因导致的下肢运动功能障碍患者,开发了一种基于人体足底压力分布和重心轨迹的双腋支撑下肢康复减重系统。首先,分析研究了减重支撑训练对足底压力的影响;其次,基于人机工程学理论并结合人体重心轨迹研究,对总体结构进行了分析与设计,并确定了相关尺寸;然后,通过静力学分析,验证了结构的可靠性;最后,对减重模块进行了运动学分析和动力学仿真。该系统可帮助下肢运动功能障碍的患者实现模仿正常人行走的康复训练。

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。

植物纤维中底材料对运动员跳跃过程下肢影响研究

EVA是一种极为常见的篮球鞋中底材料,具有质量轻、减震性强、舒适度适中等优点。为解决一般EVA材料难降解、环保性差等问题,以汉麻秆植物纤维和EVA材料等为基体制备了一种新型植物纤维中底篮球鞋,对穿着该篮球鞋模拟篮球跳跃动作时运动员的部分下肢生物力学特征参数进行获取。结果表明:与传统篮球鞋相比,这种植物纤维中底材料篮球鞋质量适中、减震性佳且具有更好的环保性,可以在一定程度上取代传统的篮球鞋中底材料。

优秀羽毛球运动员下肢三关节等速肌力与动态平衡能力特征及其相关性研究

研究目的:在前人研究基础上对羽毛球运动员下肢三关节等速肌力特征与动态平衡能力特征进行测试分析,对羽毛球运动员下肢三关节等速肌力特征与动态平衡能力特征的相关性进行研究,旨在为羽毛球运动员的训练及科学选材提供理论依据。研究方法:运用瑞士生产的多关节等速肌力测试与训练系统与Med-Track足底压力分布板,分别对内蒙古师范大学男子羽毛球运动员进行角速度60°/s、180°/s与300°/s时的下肢三关节等速肌力测试以及动态平衡能力测试。运用配对样本T检验对等速肌力特征及平衡能力指标进行分析,对等速肌力测试指标与动态平衡能力指标进行相关性检验。研究结果:(1)内蒙古师范大学男子羽毛球运动员下肢髋、膝、踝三关节两侧屈伸肌群峰力矩、相对峰力矩未出现显著性差异。下肢三关节两侧伸肌峰力矩、相对峰力矩大于屈肌(P<0.05)。下肢三关节两侧屈伸肌峰力矩比无显著性差异,且均大于国内其他优秀运动员。(2)羽毛球运动员优势侧与非优势侧动态平衡各项指标无显著性差异,两侧动态平衡能力发展均衡。羽毛球运动员髋关节屈伸肌峰力矩比与动态平衡重心包络面积、重心单位面积总轨迹长皮尔逊系数呈显著性负相关;膝关节峰力矩比与动态平衡重心包络面积、重心单位面积总轨迹长呈显著性负相关;踝关节屈肌峰力矩、相对峰力矩与重心单位面积总轨迹长呈显著性正相关,屈伸肌峰力矩比与纵向重心动摇轨迹长度呈显著性正相关。(3)羽毛球运动员下肢三关节对动态平衡能力的影响为踝关节(0.629-0.810:P<0.05)>膝关节(0.639-0.727:P<0.05)>髋关节(0.624-0.651:P<0.05)。建议:内蒙古师范大学男子羽毛球运动员应在平时训练中针对性加强下肢三关节伸肌力量素质练习,通过增强下肢髋、膝、踝关节的专项力量训练来提高动态平衡能力。教练员在训练时可以用羽毛球运动员下肢三关节优势侧与非优势侧肌力特征、屈伸肌峰力矩比来预测运动员动态平衡能力,选拔优秀运动员。

侧切状态下篮球运动员下肢生物力学特征及影响因素研究

篮球运动中存在大量的侧切动作,侧切动作的不同模式会对运动员的下肢各关节形成不同的影响。本文以10位达到国家二级运动员水平的男性篮球运动员为研究对象,分析了后足落地、中足落地、前足落地3种不同侧切状态下篮球运动员下肢(膝关节)的生物力学特征。结果表明,采用后足落地侧切形式时,人体下肢膝关节峰值屈曲角度、活动度、反作用力峰值均更高,此时人体下肢更容易出现运动损伤;采用前足落地侧切形式时,更不容易出现运动损伤,且侧切变向、蹬伸效果更好。

外骨骼型下肢康复机器人结构设计与动力学分析

针对当前下肢瘫患者众多而康复师和智能化康复设备短缺的状况,设计出多关节、坐/卧式下肢康复机器人。该机器人包括一个靠背角度可自动调节的座椅和两条外骨骼型机械腿,可适应不同身高和胖瘦的患者。详细介绍了该机器人的结构及功能,包括机器人的技术参数;机械腿髋、膝、踝三个关节及足部的结构和驱动方式;大腿和小腿长度调节机构;关节旋转角度的三重安全保护措施;电测、电控硬件的布置。建立人/机一体化模型,对机器人的运动学和动力学进行理论分析,并结合ADAMS软件进行运动学和动力学仿真;临床试验表明该机器人设计方案的可行性、安全性,并验证计算和仿真结果的正确性,但是其疗效还需要进一步验证。最后分析关节力矩产生测量误差的主要原因。

人体下肢动力特性的人机工程学实验装置的研究

作者提出一种对人体下肢动力特性进行人机工程学实验的方法和装置，它可以精确地测量人在实验室中骑行自行车时的二维蹬踏力及其与蹬踏位置的关系。作者用该实验装置对被测试者进行了实验，据此作出被测试者的一系列力特性曲线。

基于人机适应的下肢康复训练器人机建模与受力分析

从下肢康复患者的需要和节约成本出发,设计了一种人机融合性好、机械结构简单,具备功能性电刺激接口的脚踏车式下肢康复训练器。该训练系统能针对不同损伤程度的下肢残障者提供被动、主动、抗阻3种康复训练模式。根据人机适应(human adaptive mechatronics,HAM)概念中在约束环境下对人机建模的思路进行动力学研究,在结合人体下肢运动机理的基础上提出了一种平面闭环铰链五连杆刚体模型,介绍了康复设备的结构,对主动踏车运转过程中踝关节的运动进行了分析和优化,基于平面闭环铰链五连杆分析了抗阻训练时人机系统的静力学,建立了数学模型。根据人体下肢模型建立了虚拟样机,并进行了动力学仿真,验证了前述分析的正确性。

不同体质量幼儿纵跳过程中的生物力学特征

背景:超重和肥胖在幼儿中越来越普遍,有研究表明体质量过大会影响幼儿的基本运动能力,但运用生物力学方法进行分析的研究较少,更加缺乏将仿真运用其中分析其运动过程中肌肉用力情况的研究。目的:运用运动生物力学研究方法分析不同体质量的幼儿在纵跳过程中的运动学、动力学以及动作过程中下肢肌肉力值,比较这些数据的差异。方法:在北京某幼儿园采取随机抽样的方法抽取四五岁幼儿52名,按体质量指数分为正常体质量组20名、超重组16名和肥胖组16名。运用BTS三维红外动作捕捉系统和Kistler三维测力台以及VIXTA录像解析系统同步采集幼儿纵跳过程中的运动学和动力学数据;运用AnyBody 7.1.2仿真建模软件计算下肢肌肉力指标。结果与结论:①正常组的纵跳高度、膝关节变化量高于超重组和肥胖组(P<0.05,P<0.01);正常组膝屈曲最小值、躯干角大于肥胖组(P<0.05);②正常组比目鱼肌外侧头、腓肠肌外侧头、臀中肌前束小于超重组(P<0.05);③正常组比目鱼肌外侧头、腓肠肌外侧头、腓骨长肌、股内侧肌下束、臀中肌前束小于肥胖组(P<0.05);④正常组半腱肌、臀小肌前束大于肥胖组(P<0.05),正常组上下孑孓肌、闭孔内肌大于超重组(P<0.05);⑤肥胖组腓骨短肌大于正常组和超重组(P<0.05);⑥肥胖组臀小肌后束小于正常组和超重组(P<0.05);⑦结果提示:超重和肥胖幼儿纵跳高度低于同年龄段正常体质量幼儿,且表现出初期纵跳阶段的运动学特征;在落地缓冲阶段超重和肥胖幼儿在前后方向和左右方向产生的地面反作用力更大;幼儿在完成纵跳动作时主要发力肌肉是比目鱼肌外侧头、腓肠肌外侧头、腓骨短肌、腓骨长肌、股四头肌、臀中肌、臀大肌及大收肌;超重组和肥胖组幼儿股四头肌以及活动髋关节的标准化之后的相关肌肉力相比于同年龄段正常体质量幼儿更低。

人体下肢三摆多自由度模型

目的多数人体下肢运动方程在处理简单问题时存在过于复杂的问题。方法本文基于多刚体系统原理,将人体下肢系统简化为三摆多自由度模型,利用拉格朗日函数和哈密顿定理推导出人体下肢系统的动力学方程。结果以人体测量学数据为依据进行模拟计算,将模拟计算得到的人体下肢各部分的运动参数与通过实测得到的人体下肢数据进行比较后发现,二者在绝大多数指标上较为相似。结论说明推导出的方程具有一定的准确性,可以对人体下肢系统的运动特性进行简单的趋势分析和低精度计算。

基于人体动力学模型的下肢康复机器人控制方法

为解决目前针对骨科术后患者的下肢康复机器人种类少且交互性弱等问题,该文设计了一种基于人体动力学建模和拉压力传感器实现人机交互的新型坐卧式下肢康复机器人。该系统通过实时监测人机交互力,调整髋关节、膝关节、踝关节训练角度,验证建立的数学模型,对比实际采集的关节角度,得出数学模型在Matlab拟合和Adams仿真中力矩变化趋势相同,且最大均方差不超过0.81N/m,实验对比完全被动和智能被动状态的关节角度有明显调整,证明该系统提升了患者的主动参与性。

基于三维动态捕捉系统和Matlab的穿戴式下肢外骨骼步态分析

使用三维动态捕捉系统获取人体下肢关键点的运动轨迹和三维数据,用Matlab软件分析数据,绘制时间-坐标图形,建立穿戴式下肢外骨骼的三维模型,为进一步研究穿戴式下肢外骨骼奠定基础。

下肢康复外骨骼人机耦合动力学建模与控制

在行走过程中,患者与外骨骼之间的交互力,决定了患者使用外骨骼的安全性、舒适度以及外骨骼的性能,因而在康复外骨骼的相关研究中受到广泛的关注.本文以可穿戴式的下肢康复外骨骼为研究对象,考虑了患者和外骨骼的耦合作用,给出了人机交互力模型,同时考虑了足底-地面接触力的影响,从而基于第一类拉格朗日方程建立了人机耦合的动力学模型.进一步,考虑患者在不同康复训练阶段的特点和实际需求,给出了相应的控制策略.特别地,在主动康复阶段,从人机交互力模型的角度,给出了基于人机交互力的外骨骼位置阻抗控制中参考轨迹修正量的实际物理解释,并且设计了阻抗PID控制策略.仿真结果表明,使用人机耦合的动力学模型,能够对人机交互力进行有效的分析;进一步,本文在康复训练的主动阶段所设计的控制策略,能够有效地降低人机交互力的水平.

人体摇摆步态动力学图像建模与仿真

研究下肢疾病人体摇摆步态的准确建模问题。摇摆步态是下肢疾病患者行走时重要的步态特征,这种步态特征虽然带有一定的规律性,但是这种规律导致特征对应呈现凌乱性。传统的基于视觉图像建立的摇摆步态模型,没有考虑这种疾病人体步态特征的凌乱问题,以牺牲误差为代价,导致摇摆步态识别度较低。为此,提出一种考虑病态人体动力学的凌乱摇摆步态建模方法,将病态患者的步态特征视作多刚体连接系统,利用人体动力学原理建立动力学模型,得到摇摆步态的肢体特征;对摇摆步态的周期性进行分析,建立病态脚步模型并确定行走时的脚步方位,得到摇摆步态的脚步特征。实验结果表明,该方法建立的模型能够快速准确地识别摇摆步态特征,误差较小,识别率更高。

舱外航天服-航天员下肢系统动力学建模与分析

针对未来月球、火星等地外星体表面探测对舱外航天服下肢系统活动性的需求,探讨了充压航天服对航天员下肢运动的影响,进行了航天服下肢系统自由度配置、航天服-航天员下肢系统的建模、运动学和动力学分析。首先,结合人体生理结构特点和工效学要求,配置了具有12个自由度的航天服下肢关节系统。然后采用DH参数法,对单腿6自由度系统进行了正逆运动学分析,并利用拉格朗日方法建立了人服系统的动力学方程。最后,以直立行走和上下楼梯模拟不同路况,定量分析了航天员在未着服、着服未充压和着服充压状态下髋关节、膝关节和踝关节的力矩变化。结果表明,航天服质量、转动惯量和关节阻力矩将增加航天员的活动负荷;不同路况下,下肢各关节的力矩受到不同影响。未来星表探测航天服设计时,合理确定航天服质量、关节结构形式是非常必要的。

基于角度编码器与扭矩传感器的下肢肌肉力量测量的研究

针对传统肌肉力量测量方法存在的辅助设备多、信号分析复杂、反馈滞后和易受环境变化影响等问题,提出一种利用关节角度编码器与外骨骼扭矩传感器快速、准确计算人体下肢肌肉扭矩的方法。采用整体法对人体-外骨骼系统模型建立动力学方程,搭建MATLAB/Simulink仿真计算平台,快速求解受试者步态训练时的动态实时肌肉扭矩。与传统测量方法进行对比验证,结果表明仿真计算出的扭矩曲线与传统方法获得的扭矩曲线基本一致,验证了该方法的正确性。

Review of human–robot coordination control for rehabilitation based on motor function evaluation

As a wearable and intelligent system, a lower limb exoskeleton rehabilitation robot can provide auxiliary rehabilitation training for patients with lower limb walking impairment/loss and address the existing problem of insufficient medical resources. One of the main elements of such a human–robot coupling system is a control system to ensure human–robot coordination. This review aims to summarise the development of human–robot coordination control and the associated research achievements and provide insight into the research challenges in promoting innovative design in such control systems. The patients’ functional disorders and clinical rehabilitation needs regarding lower limbs are analysed in detail, forming the basis for the human–robot coordination of lower limb rehabilitation robots. Then, human–robot coordination is discussed in terms of three aspects: modelling, perception and control. Based on the reviewed research, the demand for robotic rehabilitation, modelling for human–robot coupling systems with new structures and assessment methods with different etiologies based on multi-mode sensors are discussed in detail, suggesting development directions of human–robot coordination and providing a reference for relevant research.

运动鞋纵向抗弯刚度对慢跑运动员下肢生物力学影响研究

本文选择20位具有一定慢跑水平的中长跑运动员作为研究对象,选择低刚度、中刚度、高刚度3种不同纵向抗弯刚度的运动鞋进行慢跑状态运动员下肢生物力学特征的综合测试。结果表明:穿着不同刚度运动鞋时研究对象关节矢状面活动度、关节矢状面关节力矩存在明显差别,相对而言高刚度运动鞋更能对人体关节形成约束,也更有益于研究对象运动水平的提升。

下肢助行外骨骼机器人起坐动作下的生物力学分析

探讨了下肢外骨骼起坐动作辅助过程中截瘫患者对拐杖产生大压力的原因和解决方法,通过建立人-外骨骼耦合动力学模型,将患者对拐杖的压力作为一个外力引入模型中,探究了踝关节刚度与拐杖压力的关系.为了验证踝关节刚度对减小拐杖压力的影响,设计了外骨骼起坐验证实验,通过调整AIDER下肢助行外骨骼系统踝关节的刚度,观察受试者在整个起坐动作过程中的平均能量损耗和鞋底压力中心位置变化.实验结果显示,调整踝关节刚度后受试者的平均能量损耗降低了45.18%,稳定性提高了34.99%,这表明适当的踝关节刚度可以在下肢助行外骨骼辅助的起坐动作过程中有效降低患者对拐杖的压力.

下肢康复机器人人机耦合动力学建模和主动柔顺控制

针对多关节下肢康复机器人非线性人机交互作用力影响训练过程中舒适度和安全性的问题,提出一种人机耦合动力学建模方法和主动柔顺控制策略。结合脑卒中发病初-中期康复训练特点和降低髋关节输出功率的要求,确定出坐卧式下肢康复机器人自由度配置、自平衡结构原理,并完成具体模型设计。基于简化的人体肌骨模型,考虑人机耦合方式,确定出人机交互作用力模型,进一步给出考虑自平衡结构影响的人机耦合动力学模型。引入环境刚度模拟患者踩踏在不同路面的接触力效果,利用动力学前馈进行关节期望力矩补偿控制,并通过李雅普诺夫定理判定控制系统的稳定性。通过实验验证了轨迹跟踪、力跟踪的准确性,进一步通过临床试验,92.2%的脑卒中患者病情得到缓解,验证了研究内容的可行性和安全性。