重物质心自适应调节背负外骨骼负重性能分析

背负的重物质心在矢状面上的大幅波动会对人体肩、背部产生冲击与振荡力,引起上肢肌肉疲劳。为缓解和减轻重物对人体腰背部的冲击与振荡力,提出了一款以髋关节驱动的重物质心自适应调节背负外骨骼。以人体五杆模型为研究对象,运用D‐H法建立人体‐重物系统与人体‐外骨骼‐重物系统中重物质心运动学模型并对比重物质心轨迹,基于牛顿‐欧拉法建立人体动力学模型与人机动力学模型,获得人体‐重物系统与人体‐外骨骼‐重物系统中人体肩、背部受力的变化以及腰椎、髋、膝关节力矩的变化,并利用生物力学软件OpenSim进行了验证。运动学、动力学分析及软件仿真表明了该外骨骼降低了重物质心的波动,改善了各关节的力矩分布,提升了负重性能。

不同负荷模拟行走时的生理、生物力学信号分析

目的 分析不同负荷模拟行走过程中生理、生物力学信号及人体主观疲劳感的变化特征,探索导致负荷行走疲劳的相关因素.方法 选择6名健康成年男性进行5种负荷（25 kg,29 kg,34 kg,37kg,39 kg）模拟徒步行走试验（速度5 km/h,坡度0％）,连续行走30 min,同步采集心肺功能参数、肩部拉力、躯干压力、主观疲劳感等生理和生物力学信号.结果 随着负荷量增大,心率（heart rate,HR）、呼吸率（breathing rate,BR）、通气量（minute ventilation volume,VE）、摄氧量（oxygen consumption,V02）呈逐步上升趋势,且在37 ～39 kg段上升速率明显加快.肩部拉力与负荷量有较强的相关性.肩、背、腰部压力受背囊胸部束带、腰部束带的松紧程度影响较大,在37 kg处出现变化趋势转折点.肩和全身疲劳评分远高于背部和腰部.结论 37 kg是人体心肺功能疲劳的阈值点,在大于该负荷的行走试验中,应考虑受试个体的心肺运动能力对疲劳的影响.肩部拉力和压力可作为疲劳评价的主要因素.

基于生理参数的囊式卫生装备人体工效学评价研究

目的探讨背负不同型号背囊对人体行进中生理负荷和生物力学姿态的影响,分析背囊的结构设计是否适合人体生理特点和人体工效学要求。方法针对4种不同型号背囊,选择10名男性武警某部卫生员作为受试对象,在受试人员携行背囊行进过程中,对血氧饱和度、心率、呼吸频率、氧耗量、躯干倾角、躯体症状等进行测试。结果综合分析比较各项测试指标,Ⅰ号背囊结构设计没有考虑我国成年人人体尺寸特点,Ⅱ号背囊易造成腰背部受力集中,平衡能力受到影响,Ⅲ号背囊引起的肌体疲劳感较重,Ⅳ号背囊携行结构设计相对符合人体生理特点,适体性相对较好。结论人体背负背囊行进中生理负荷和生物力学姿态指标的变化与背囊携行结构设计密切相关,人体工效学评价可为背囊携行结构的优化设计提供科学依据。

集装箱装载问题的启发式优化算法

集装箱装载是个多约束的复杂组合优化问题,属于NP-Hard问题,其精确求解是很困难的,一般多用启发式方法来近似解。针对背包型集装箱装载问题提出了一种启发式算法,该算法采用了新的“砌墙”机制和货物组对策略,通过递归寻优得到解。通过实例说明该算法具有较好的有效性和实用性。

基于肤觉体验的双肩背包设计要素分析

为优化双肩背包的肤觉穿戴体验,分析了肤觉感知的特点、优势、局限以及应用场景,并对肤觉体验在背包设计中的应用发展现状进行概述,提出目前背包肤觉设计中存在的问题;而后通过市场调研对双肩背包的设计要素进行整理分析,以肤觉感知的相关研究成果为理论依据,着重分析了双肩背包的负重系统和材料触感两个设计要素,进而得出了提高背包肤觉体验需要考虑的具体因素,并对未来背包肤觉体验的发展方向进行展望。

农用运输机器人动力设计及稳定性研究与试验

通过对农用智能运输平台的驱动单元进行运动稳定性分析,设计了一款适宜农用智能运输机器人,可以背负式承载物料进行搬运,也可以在尾部牵引拖车,进行牵引式运输。从机器人驱动电机选型,驱动轮安装板、底板和框架的有限元分析,试验对比等方面探究了驱动单元对机器人运动稳定性能的影响,结果表明,机器人运行平稳。

单侧负重对人体足底压力特征的影响研究

为探究人体不同单侧负重方式与负重重量行走时足底压力分布特征,分析单侧负重对不同性别人群带来的足底压力变化,选取30名男性与30名女性受试者分别在单肩、手提与斜挎背包3种负重方式下以自身体重的0%、5%、10%与15%等4种负重重量下行走,利用Medtrack足底压力板测量足底压力峰值和压强峰值。结果表明:单肩背包时压力与压强峰值高于手提与斜挎背包(P<0.05);足底压力峰值男性显著大于女性(P<0.05);手提与斜挎背包负重15%BW时右脚压强峰值女性显著小于男性(P<0.05);男性斜挎背包负重15%BW右脚压力峰值显著大于左脚(P<0.05);女性手提背包负重10%BW右脚压强峰值显著大于左脚(P<0.05)。女性手提背包双脚压强峰值不对称,单肩背包压强峰值大于斜挎背包,所以建议女性选用斜挎背包。男性斜挎背包双脚压力峰值不对称,单肩背包压力峰值大于斜挎背包,所以建议男性选用手提背包。

背包类型对大学生楼梯行走运动学和足底压力的影响

目的分析不同背包类型和载荷对大学生上楼梯行走时运动学和足底压力的影响,为大学生选择合适的背包及携带方式提供参考。方法采用Nokov红外光点运动捕捉系统和Podomed足底压力测试系统分析15名男大学生上楼梯支撑期内躯干和下肢关节活动范围、峰值时刻下肢运动学参数、足底各分区压力峰值、接触时间、全足最大压强、平均压强等参数的差异。结果5%BW和10%BW背包载荷会减小躯干旋转活动范围(range of motion,ROM),增加踝关节屈伸和内外翻ROM,10%BW背包载荷下足底第1、3跖骨压力峰值和全足最大压强提升(P<0.05)。单肩包和手提包减小躯干侧倾和旋转ROM,增大了踝关节屈伸ROM、髋关节屈曲角、足弓和足跟内侧压力峰值(P<0.05)。双肩包负重增加足趾区的压力峰值(P<0.05)。结论楼梯行走时,5%BW和10%BW背包载荷均会限制躯干旋转,增加踝关节ROM,10%BW载荷还会增加足跖区的负荷。单侧负重模式会使躯干向未负重侧倾斜以及向负重侧旋转。携带双肩包时足趾处的压力较高,而单肩包和手提包主要集中增加足弓和足跟内侧压力。建议大学生群体选择对称性背包方案,同时合理分配背包重量避免导致足跖区的损伤。

再论柔性回填材料的回填厚度

随着科学技术的发展，人们目标是构筑能够承受更高冲击荷载的地下工程。当前所采用的措施之一，是用一种柔性材料回填在毛洞与衬砌之间，形成一种刚柔结合的地下工程结构体系。利用柔性材料可大量吸收冲击震动能量的特性，将地下工程构成高抗力结构体系。主要论述了柔性回填材料在高抗力地下工程中的作用；同时利用能量原理导出了在强冲击条件下回填材料理想厚度的计算方法。试验证明．本文的方法，计算值与试验值吻合很好．可以推广应用。

异构蜂窝通信网络的发展及优化

随着新一代物联网的发展,5G通信时代已经到来。通信网络异构化应时而生,至今还有着无限的发展潜能。从传统蜂窝网络出发,根据异构蜂窝网络的改进及组成结构,分析其在实际通信中可能出现的用户接入不均衡问题,采用约束问题最优化的数学思想,将多用户的灵活接入形象描述为类背包问题。套用背包问题的贪婪策略,在保证系统性能最优化的前提下为不同用户合理分配资源。最后,通过仿真验证了该方案在均衡通信负载问题中起到了一定作用,降低网络总耗能。

电子嵌入式背包压力监测系统

背包具有方便灵活性,被大、中、小学生广泛使用。但背包肩带的不同长度,负载的不同位置,会使肩背的压力不均,对人体舒适度和健康状况造成影响,尤其对生长中的儿童,有可能引起发育不良,错位畸形等。在深入分析负重情况下,确认背带是决定压力分布的重要因素,我们运用嵌入式和电子技术设计了背包压力检测器,并将数据传递到智能系统、通过软硬件结合,进行分析比较,做出是否超标失重判断,进而将异常情况经蓝牙传送至手机,做出相关显示,以利调整,起到应用指导作用。

女性双肩包负重合理性及其肩带舒适性测试

目的(1)探讨10%BW(body weight)作为日常负重是否具有科学性。(2)测试增厚肩带能否有效提升双肩包背负舒适度。方法选取13名22-24周岁的成年女性作为试验对象,分别使用原肩带与加厚肩带,背负重量为10%BW的双肩包完成规定运动。使用NOKOV光学三维运动捕捉系统测量受试者的躯干角度,并用血压计、运动手环及量表记录其生理数据与主观感受。结果(1)背包重量为10%BW时,女性受试者的躯干角度与心率、血压较无负重时均无显著性差异;(2)加厚肩带组的受试者主观疲劳度与局部不舒适度评分结果均显著优于原肩带组。结论(1)10%BW可以作为22-24岁周岁成年女性的日常安全背负重量,不会对其脊柱与肌肉健康造成严重伤害。(2)可通过加厚肩带的方法提高背负舒适感,缓解肩颈疲劳。

求解船只装载问题的主要方法研究

船只装载问题是一个多约束背包问题,解决的是资源优化分配的问题,通过合理的方式对需装载的物品进行船只分配,以取得最大价值,也就是舰船装载的最优方案。目前对此类问题的求解方法主要为传统的精确的求解方法和启发式算法,作者列举了主要的求解方式,并对比了不同方式的优缺点。

用于求解民船装载问题的R-CS-PSO混合改进算法

民船装载问题是一个多约束背包问题,解决的是资源优化分配的问题,通过合理的方式对需装载的物品进行船只分配,以取得最大价值,也就是舰船装载的最优方案。本文通过对需解决的问题进行分析,将布谷鸟搜索算法搜索范围广但计算精度不高和粒子群算法收敛速度快但容易陷入局部最优的特点结合起来,进行取长补短,改进提出了分阶段随机布谷鸟粒子群智能优化算法,并用此算法来解决舰船装载问题。通过验证此算法相较之前的算法搜索范围广、收敛速度快、能取得较好的解,有效的解决了此问题,并可在实际中进行推广应用。

人体背部负重行走时足底压力分布研究

针对人体背部不同的负重量对其行走时足底压力的影响,采用三维测力台系统,对20名青年大学生背部负重行走时的地面反力进行数据采集,并做出特征双峰曲线。运用统计学方法对曲线上的7个特征量进行分析。结果表明,随着背部负重量的增加,测试者行走时的足底压力也随之增大,且呈现出一定程度上的性别差异:对于男性测试者,当背部负重量达到体重的17%时,足底压力开始发生变化,至20%负重时,足底压力已存在显著性差异;对于女性测试者,当背部负重量达到体重的14%时,足底压力开始发生变化,至15%负重时,足底压力即已存在较显著的差异。

不确定需求环境下的路径-装载协同优化研究

在不确定需求环境下,针对循环取货问题,提出了基于VRP与3D-KLP协同优化模型(3KL-CVRPCSO),并设计了求解该模型的多阶段算法(HPGBT).首先,采用基于遗传算法的混合粒子群优化算法和启发式正交二叉树搜索算法求解不同车型最优行驶路径及车厢内装载的各种类货物的最优数量,以此确定各车型车辆的单车最优路径-装载方案;再以这些方案作为决策变量,以实际货物需求量为约束条件,建立新的基于实际需求的路径-装载协同优化模型并进行求解,得到按不同车型单车最优方案执行的车辆数.通过与国外学者近期在权威期刊的优化结果比较和实际案例的应用两方面的研究与验证,证明了本文方法的可行性及有效性,从而建立了一种以不同车型单车"路径+装载"复合方案为决策单元,以实际需求为约束条件,进而以最优组合方案解决不确定性需求问题的物流车辆调度新方法.

行走过程中不同背包重量对人体生理参数的影响研究

本文采用志愿者试验方法研究长时间背包负重行走对躯体姿势、背部主要肌肉疲劳程度和心率血压的影响。研究以肌电(EMG)测量系统和三维运动捕捉系统进行测量,10名健康受试者分别负载占自身体重(BW)的0%、10%、15%和20%的背包,在跑步机上以1.1m/s的速度行走30min,记录行走前和行走后躯体姿势、肌肉疲劳程度和心率血压的变化以及停止行走后0、5、10和15min时EMG参数变化情况。结果显示随着背包负重的增加,人体躯体与头部前倾角、肌肉疲劳程度和心率血压均呈上升趋势。负重为20%BW时,头部前倾角和肌肉疲劳程度显著性增加,收缩压也显著升高。心率和舒张压整体有上升趋势,但无显著性差异。移除背包后15min,肌肉疲劳逐渐缓解,负重20%BW的恢复相比0%BW、10%BW和15%BW的平缓。通过肌肉疲劳程度和头部前倾角测量数值显示,本文涉及年龄段的人负重行走背包重量安全界限在15%BW^20%BW之间,并建议行走时间超过30min时,背包重量不宜超过15%BW,避免造成不可逆的肌肉疲劳性损伤。