基于低成本惯性测量单元和力敏电阻的足部三维运动数据建模

目的设计一种基于低成本惯性测量单元和力敏电阻的便携式足部三维运动捕捉系统,探讨应用该系统评估裸足和穿鞋状态下足内小关节三维运动的可行性。方法该系统由数据采集、数据传输和数据处理部分组成。惯性测量单元用于足部小关节运动数据采集,力敏电阻用于检测足跟触地和足趾离地时间。所有数据通过无线局域网传输,数据处理由自主编写的宏程序完成。2024年1月至7月,2例健康成年女性穿戴该设备以自我感觉合适的速度在室内平地连续行走10 m。采用步态分析对受试者2进行行走一致性测试,并记录受试者1分别以裸足、穿两种护士鞋行走时,连续步态周期下第1跖骨相对于拇趾(Met-Ph)、中足相对于第1跖骨(Mid-Met)的背屈-跖屈、内收-外展和内旋-外旋运动曲线。结果该系统在行走时显示良好的测试一致性。Met-Ph和Mid-Met的背屈-跖屈、内收-外展和内旋-外旋活动范围在穿鞋时均较裸足时降低,使用带足弓支撑的鞋最低。结论本研究开发了一种低成本、便携式足部三维运动系统,可用于测量连续步态时足内小关节在裸足和穿鞋状态下的三维运动。

刚体四足与六足机器人运动控制方法研究综述

陆地移动机器人在工业、农业和生活等多个领域有着广泛的应用前景,其中刚体四足与六足机器人以其强大的地形适应能力和越障能力备受关注。围绕刚体四足与六足机器人展开,梳理以往相关研究,对国内外知名机器人进行简要分析,详细分析应用于机器人中的中枢模式发生器、模型预测控制、全身控制等主流运动控制理论,探讨其发展过程中所面临的挑战,最后对其发展进行概括,并对未来发展方向和意义进行展望。

液压驱动六足机器人一种低冲击运动规划方法

足地接触冲击对大尺度重载足式机器人的运动性能影响显著。针对液压驱动六足机器人,以低冲击平顺运动为目标,提出一种减小足地接触冲击的足端轨迹规划方法。基于仿生构型和运动学模型推导腿部关节的角度函数,根据液压缸铰点布置和腿部机构几何关系推导出各液压缸活塞杆的位置控制函数,分析表明关节和液压缸运动平稳,速度、加速度无突变。基于Vortex搭建机器人仿真平台,采用该方法实现了步行过程的仿真模拟,机体稳定前移过程中的垂向起伏微小,侧向偏移率约为2.1%。将该方法应用于开发的六足机器人原理样机,进行野外自然环境行走测试,各关节按预定轨迹平稳运动,足端受力合理。仿真结果与试验结果具有较好的一致性,验证了提出的运动规划方法合理可行。

TheoJansen仿生腿研究及其机构优化设计

通过基于标准Theo Jansen仿生腿(Jansen-leg)机构研制出的小型仿生机器人实物样机的性能测试,发现该机构存在足端运动轨迹单一、地形适应性差等不足之处,针对此进行Jansen-leg机构的系统优化与革新设计。将双边测量中的距离方程应用于标准型仿生腿的运动学建模,作为机构优化中动态变换点的运动学分析的理论依据。通过可重构的优化设计方法,得到了能够适应趾行、避障、泥地、攀爬等运动的诸多新型足端运动轨迹模式。受到优化设计过程和结果的启发,在继承Jansen-leg机构优点的同时对其进行机构革新设计。设计的新机构不但具有很好的越障性、通过性、足端运动轨迹模态多样性,还具有控制简单、关节运动协调性好等诸多优点。提高了该机构对非结构地形环境的适应性,拓展了该机构的应用范围。

距下关节在正常成人足三维运动中的力学研究

[目的]分析研究正常成人新鲜足标本距下关节在正常情况下足三维运动中的生物力学特性。[方法]取新鲜足标本12例,通过加载使足产生某种形式的运动,用三维数字化坐标仪测量距下关节组成骨在某种运动状态下的相对三维坐标位移,通过矩阵转换和求解非线性函数方程计算其三维旋转角度,确定距下关节的运动范围、规律和在足整体运动中的作用。[结果]距下关节在足整体运动中背屈-跖屈、内翻-外翻、内收-外展轴运动范围分别为(4.13±0.86)°、(8.43±0.52)°、(12.77±1.29)°。在足单纯跖屈背屈、内翻外翻、内收外展过程中,对距下关节三维运动度作相关性分析,并对相关系数进行t检验,相关系数均有高度统计学意义。[结论]随足跖屈背屈、内外翻和内收外展运动度的增加,距下关节三维运动范围呈线性增加,在各轴上的增加幅度有所不同,三轴方向上的运动存在密切的相关关系。

距下关节在成人足三维运动中的力学研究

目的:分析研究成人新鲜足标本距下关节在正常情况下足三维运动中的生物力学特性。方法:取新鲜足标本12例,通过加载使足产生某种形式的运动,用三维数字化坐标仪测量距下关节组成骨在某种运动状态下的相对三维坐标位移,通过矩阵转换和求解非线性函数方程计算其三维旋转角度,确定距下关节的运动范围、规律和在足整体运动中的作用。结果:距下关节在足整体运动中背屈-跖屈、内翻-外翻、内收-外展轴运动范围分别为4.13°±0.86°、8.43°±0.52°、12.77°±1.29°。在足单纯跖屈背屈、内翻外翻、内收外展过程中,对距下关节三维运动度作相关性分析,并对相关系数进行t检验,相关系数均有高度统计学意义。结论:随足跖屈、背屈,内、外翻,内收、外展运动度的增加,距下关节三维运动范围呈线性增加,在各轴上的增加幅度有所不同,三轴方向上的运动存在密切的相关关系。

地震作用下立式储液罐罐壁“象足”变形仿真分析

基于ANSYS软件建立了考虑液体晃动和罐底提离立式储液罐有限元模型,分别进行了水平地震和竖向地震作用下罐壁“象足”变形分析。分析表明:立式储液罐罐壁“象足”变形主要是由罐壁纵向压应力超过临界应力而产生的局部屈曲破坏,并非强度破坏。因罐底提离导致的罐底与基础反复撞击加大了作用在罐壁上的应力,使罐壁底部“象足”变形不断发展,最终导致罐壁撕裂。在完全相同地震加速度作用下,水平地震作用比竖向地震作用罐壁更早更容易进入屈曲状态,产生“象足”变形。

电针足阳明经穴对家兔胃运动和胃动素的影响

目的 :观察电针足阳明经穴对胃运动和胃动素含量的影响及足阳明经与胃的相关规律。方法 :4 0只家兔随机分为 5组 ,即四白组、梁门组、足三里组、非经非穴组和模型组。运用消化道腔外电桥式应力传感器记录法 ,观察胃运动的变化 ,以放射免疫法检测胃动素的含量。结果 :造模前 ,四白穴组和足三里穴组电针后 ,振幅指数显著升高 ,与针前比较差异有非常显著性意义 (P <0 0 1) ;造模后 ,四白穴组电针后 ,振幅指数显著升高 ,与针前比较差异显著 (P <0 0 1)。电针各组穴位对收缩波数目百分率和胃动素的影响 ,针前针后比较 ,均无显著性差异 (P >0 0 5 )。结论 :提示电针足阳明经四白、足三里穴 ,可使家兔胃运动振幅指数升高 ,足阳明经与胃具有相关性。

踝足康复牵引器对脑卒中偏瘫患者踝关节活动范围及平衡功能的影专响

目的探讨踝足康复牵引器对脑卒中偏瘫患者踝关节活动范围及平衡功能的影响。方法将74例脑卒中偏瘫患者分为观察组(36例)和对照组(38例),对照组采用常规康复训练+电动起立平台方法,观察组在常规康复训练的基础上,增加踝足康复牵引器治疗。8周后评定疗效。结果 经过8周康复训练后,两组患者的踝关节活动范围增大,平衡能力提高,日常生活活动能力显著改善(P<0.001);治疗后观察组各项指标改善程度显著优于对照组(P<0.001)。结论踝足康复牵引器对增加脑卒中偏瘫患者踝关节活动范围,改善踝关节挛缩,提高平衡功能及日常生活活动能力有积极作用。

足三维运动的热塑标志测量法

目的 探讨足在三维空间中的角度变化规律。方法 应用热塑材料作3D标志的支架,紧贴足背、足跟。通过ALBAVISION ACAM50 3D运动分析系统定位标志在3D坐标系的位置,计算了足在3D空间中的角度。结果 正确描绘了足的三维运动规律。结论 此测量方法提供一个3D足运动的临床和科研分析方法。

改良式踝足矫形器对膝关节运动角度的影响

目的:研究改良式踝足矫形器对膝关节运动角度的影响。方法:研究模型为10例健康大学生(22.6±1.6)岁,采用三维动作分析系统采集自由步行、穿戴标准AFO与穿戴改良式AFO步行时的动态运动数据,观察不同状态下膝、踝关节活动角度的变化。结果:①在6种步行状态下(自由步行、普通AFO、AFO-1、AFO-2、AFO-3、AFO-4),膝关节屈曲角度逐渐增加,且膝关节角度值在支撑相早期、支撑相中期及最大值差异有非常显著性(P<0.01),而支撑相晚期及最小值差异没有显著性意义(P>0.05)。②膝关节角度值在支撑相中期时,自由步行时与穿戴普通AFO及改良式AFO之间差异均有非常显著性意义(P<0.01);同时穿戴普通AFO步行与改良式AFO的后两种状态(AFO-3、AFO-4)之间差异也有显著性意义(P<0.05)。③6种步行状态下踝关节背屈角度最大值逐渐增加,自由步行时与穿戴各种AFO步行之间差异均有非常显著性意义(P<0.01);同时穿戴普通AFO步行与改良式AFO的最后一种状态(AFO-4)之间差异也有显著性意义(P<0.05)。结论:改良式AFO在改变正常人踝关节背伸角度的同时,还可以控制膝关节伸展角度的变化。

帆布鞋帮面结构和运动速度对足部运动角度的影响

选取15名20～25岁健康女性作为受试者,采用视频拍摄法采集受试者穿着不同帮面结构帆布鞋(高帮帆布鞋、低帮帆布鞋、浅口帆布鞋)的运动过程,测量3种速度运动过程中足部角度(着地角、离地角、跖趾关节上翘角、踝关节背屈、踝关节跖屈)的平均值。结果表明:运动速度和鞋帮面款式对踝关节背屈和离地角有显著影响,随着帮高的增加鞋的包覆性增大,踝关节背屈角增大;随着速度的增加,踝关节背屈角和离地角均呈现减小的趋势。

一种辅助足下垂步态训练的功能电刺激器控制方法

设计并搭建一个创新性的功能电刺激器控制方法,用于矫正脑卒中患者偏瘫后的足下垂步态,改善下肢运动质量。功能性电刺激器控制方法由运动捕捉系统和单片机控制器组成,实时采集行走过程中的运动学信息,从运动学信息中提取特征,来判断测试者所处的步态时相,当检测到处在最优的电刺激时相时,启动对胫骨前肌的电刺激。目前,已在正常人身上验证控制方法的可行性。相对于传统的控制方式,该方法可以更准确地找到最优电刺激时相,对改善足下垂患者的异常步态效果更明显,而所采集的数据可作为训练结束后的康复效果评估。

大型桩基础动力特性及地震反应分析

本文针对大型桩基础的地震反应问题,以上海“东方明珠”广播电视塔桩基础为工程背景,采用梁单元模拟桩的运动,用8节点块体单元对土体进行离散,通过凝聚法消去桩(梁)节点的转动自由度,建立了“东方明球”电视塔中央部位桩基础的三维有限元分析模型,对桩基础的动力特性进行了计算与分析。在此基础上,以文献[1]根据地震危险性分析和土层反应分析后获得的桩尖处加速度时程作为输入,对桩基础的动力反应进行时程分析,探讨了桩—土动力相互作用和上部结构等因素对地震地面运动和桩承台反应的影响,得到了一些有应用价值的结果。

并联式脚底按摩机构的设计及其研制

根据人体脚底穴位按摩的要求及特点,提出将三维转动并联机构运用于脚底按摩器,创新设计一种单输入三转动输出并联式脚底按摩机构;通过分析该机构的拓扑结构特性,计算出该机构的耦合度为零,因此,直接推导出其位置正向解析解,而无需复杂的代数法推导或数值法计算;又在Adams环境下进行了运动仿真,进一步应用Solid Works软件设计了该脚底按摩器的虚拟样机,并研制了实体样机进行按摩保健体验,效果十分满意。

基于足部零速约束的行人自主导航微系统设计

随着智能健康管理水平的提升,对传感装备及其测量精度的技术要求也在不断提高。针对低精度微型惯性测量单元的不足,设计一种可穿戴鞋式的足部约束行人自主惯性导航微系统,分析行人行进过程的足部运动特征,构造基于足部零速约束的滤波算法模型,实现行进过程中的自主导航误差连续反馈修正,研制相应的硬件集成微系统并实现算法片上解算输出。多边形路线的行走实验测试结果表明,引入零速修正后的导航算法误差为行走距离的1.6%,导航精度提升约两个数量级。

对我国优秀女排队员单脚起跳扣球技术动作分析——背飞与背快扣球技术动作的比较

运用三维高速录像解析法对中国女排队员刘亚男单脚起跳背飞与背快扣球技术进行了现场拍摄和数字化解析。结果表明,背飞扣球技术的助跑速度为5.86m/s,高于背快扣球助跑速度2.95m/s,助跑速度快是单脚起跳背飞扣球在助跑环节的主要技术特征;背飞扣球在左脚着地瞬间,几乎是以全脚掌形式来完成制动向前的水平速度,具有积极性起跳技术特征;背快扣球是以脚跟先着地逐步过渡到前脚掌的形式来完成制动向前的水平速度,具有消极性起跳技术特征;背飞和背快扣球的起跳时间相同,为0.26s。但两种扣球技术起跳环节在缓冲和蹬伸的时间分配却不相同。

单脚背飞扣球运动轨迹与速度解析

运用摄影、测试、解析等方法，对两名优秀排球运动员的单脚背飞扣球全程的身体重心、上肢各关节运动轨迹与速度变化的解析，找出单脚背飞扣球较适宜的助跑距离、速度调整方式、起跳方法、起跳角度的控制以及肩、肘、腕关节的鞭打动作方法，使单脚背飞扣球运动技术模式更加完善。

“手鞋”设计

目的针对双下肢残疾者设计一款具有手足双项功能、巧妙结构与美观造型的“手鞋”,解决双下肢残疾者生活中行走、劳作时的笨拙、痛苦等问题。方法通过文献法、比较法、层次分析法对“手鞋”的市场需求、设计心理、形态、材料、色彩、结构以及功能进行深入地对比分析。结论提出“手鞋”设计的四点原则:造型结构上要兼顾手和足的外形和内在特征;色彩上要具有修正“双下肢残疾者”自卑心理的作用;材质上要耐磨、抗拉、保暖、透气、舒适;结构上至少包含“里、面、底、跟”四大部分,并且要有能够灵活活动的五指空间结构,要有防滑、防磨功能。根据定量与定性分析,结合市场的人道需求,“手鞋”设计具有比较高的可行性、实用价值和社会意义。

汶川地震山脚震害特征及机理分析

汶川地震和以往地震现场震害调查表明,局部场地地形对震害的影响明显,其中,山脚房屋震害程度明显低于山顶和水平地表土层场地。针对这一震害特征,本文以汶川主震的地形效应观测强震动记录和人工爆破山体地形地震动观测记录为基础,通过数据分析,结合动力集中质量中心差分有限元法进行数值模拟分析,进一步揭示了山脚房屋震害轻微的特征不仅与其所在场地条件良好有关,更与山脚所处山体底部的几何位置直接相关。