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。

下肢康复机器人机构研究现状及临床应用初探

人体下肢康复机器人作为一种恢复下肢运动能力的辅助设备,在康复领域和临床应用上的作用日益显著。随着科技的进步,国内外在该领域均有较大的发展,本研究对下肢康复机器人的发展脉络进行了较为细致地梳理,对临床应用的现状进行了综述,以机构研究为重点,从自由度,工作空间,奇异性,步态模拟,运动学仿真及人机交互等角度对其进行分析辨识,结果表明,国内对下肢康复机器人的研究重点在机构构型的设计与优化,国外的研究重点则是基于人机交互的控制系统与训练模式的提升与创新。最后结合研究现状对未来的发展趋势进行了展望。

无标记运动捕捉系统在临床步态分析上的研究进展

步态分析是临床研究的重要组成部分,传统的三维步态分析由于设备成本高、专业技术要求高等原因难以广泛应用。随着计算机视觉技术的发展,无标记运动捕捉系统的精确度得到极大提升,无需标记、成本较低的优势逐渐显现,并被应用于步态分析,但由于研究人员和临床医生缺乏对该系统的整体了解,使得该技术尚不能得到广泛推广,本综述拟对无标记运动捕捉系统在临床步态分析上的应用进展进行回顾,分析目前各项技术的优势和局限性,展望无标记运动捕捉系统在临床步态分析上的发展方向,为今后无标记运动捕捉系统在临床上的推广使用提供了研究思路。

基于OpenSim的人体下肢生物力学性能仿真实验

强化人体生物力学性能分析能力有助于提高学生处理外骨骼机器人研究过程中解决人机共融技术问题的技术手段。该文以助力型外骨骼机器人为研究背景,基于OpenSim仿真平台提出了一个人体下肢生物力学性能分析实验教学方案,以技术层、输入层、模型层和输出层体系结构为视角,梳理出由人体下肢运动信息采集到生物力学性能分析的实验仿真流程。使用OpenSim软件建立人体下肢参数化肌骨模型,经由逆运动学和逆动力学求解器获取下肢运动过程中的关节角与关节力矩,为助力型外骨骼的助力机制研究提供数据支撑。

穿戴式下肢外骨骼设计与运动学分析

随着下肢功能障碍者在人口中所占比例逐年增长,以物理辅助治疗为主要形式的下肢外骨骼成为康复领域的研究热点之一。提出了一种穿戴式下肢外骨骼样机模型并对其运动性能进行了分析。首先,建立了人体下肢与外骨骼的运动机制对应关系;其次,应用标准D-H法构建外骨骼运动学数学模型,通过齐次变换矩阵进行正、逆运动学解算,并检验了模型及解算方程的正确性;最后,基于人体下肢步态特征对人机耦合模型进行了仿真,曲线拟合优度表明,外骨骼运行平稳,且具有较好的兼容性和跟随性能。获得的各关节曲线数据为下肢外骨骼控制策略的制定提供了数据基础。

基于IMU和Kinect的人体下肢动作捕捉算法的研究

Kinect传感器在进行人体下肢关节定位时,因数据噪声多、深度数据不匹配、环境复杂等因素影响,导致出现局部位置信息丢失的情况,为此,提出了一种基于四元数的改进算法,通过使用低成本的惯性测量单元(IMU)来对Kinect传感器的异常数据进行判别与修正。使用改进后的四元数法对髋关节、膝关节和踝关节进行位置解算,以进一步提高解算结果的准确度,简化繁琐的实验流程。通过实验数据的对比发现:改进后的四元数算法可以让复杂的实验过程得以简化,关节角度的均方根误差(RMSE)相较于改进前的算法减小了约0.175;在IMU与Kinect传感器数据相结合后,能够很好地对其异常数据进行修正。

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。

运动前后运动鞋对人体下肢落地冲击影响差异研究

运动鞋是保证人体下肢运动落地过程中得到充分缓冲的重要装备。本文通过比较20位篮球专项运动员在高强度运动前后的落地冲击力、负载率参数,得到运动前后运动鞋对人体下肢落地冲击的影响差异。结果表明,高强度运动后人体下肢神经肌肉控制策略会略有下降,运动鞋对人体下肢落地时的冲击力减缓效果更为明显。

紧身运动裤静态服装压对下肢肌肉层的影响

为了探索服装压对人体下肢肌肉层在纵向方向的影响机制,选择2款紧身运动裤,由4名试验对象进行穿着,对其下肢44个部位进行静态站立时服装压测试,结合生理结构分析人体下肢纵向服装压分布规律和人体下肢肌肉分布及走向对服装压的抵抗作用。结果表明:大腿部位服装压力值由大到小依次是前中、后侧、内侧、外侧;小腿部位服装压力值由大到小依次为前中、外侧、后侧、内侧;大腿区域最大压力值为1.527kPa,小腿部位最大压力值为1.3975kPa;B款紧身运动裤在左腿前中、后侧、内侧的服装压总体比A款大,在左腿外侧较为相似。

人性化护理应用于老年胫腓骨骨折患者围手术期的效果

目的:探讨人性化护理应用于老年胫腓骨骨折患者围手术期的效果。方法:选择2020年3月-2022年3月于平和县医院接受治疗的90例老年胫腓骨骨折患者为本次研究对象,按照随机数表法将患者分为试验组和对照组,各45例。对照组给予常规护理,试验组在对照组基础上给予人性化护理。比较两组恢复时间、下肢功能(Lysholm评分)、护理满意度、生活质量[世界卫生组织生存质量测定简表(WHOQOL-BREF)]及并发症发生率。结果:干预后,试验组疼痛缓解、下床活动、肿胀消退和骨折愈合时间均早于对照组,差异有统计学意义(P<0.05);干预后3个月,两组Lysholm评分、WHOQOL-BREF评分高于干预前,且试验组高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05);试验组护理满意度评分高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。试验组并发症发生率低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:人性化护理应用于老年胫腓骨骨折患者可以加快机体和下肢功能恢复,提高护理满意度和生活质量,降低并发症发生率。

基于人—车碰撞事故重建的行人下肢动力学响应与损伤生物力学分析

为了深入研究人—车碰撞事故中行人的下肢运动响应和生物力学损伤规律,基于国家车辆事故深度调查体系中真实的交通事故案例,建立了人-车碰撞有限元模型并进行了模型有效性的验证。利用THUMS人体模型模拟了行人站立、步行、跑步3种姿态,针对车辆前部横向结构特征选取了3个碰撞位置,分析了行人下肢在碰撞位置的生物力学响应和损伤特点。结果表明:在40 km/h的碰撞初速度下,车辆前部横向结构特征对行人左、右腿的运动响应和损伤有较大影响;行人股骨高风险区域为股骨头和股骨骨干,其最大应力值达到124.9 MPa,而胫骨高风险区域为胫骨骨干,其最大应力值达到157.2 MPa;行人左腿膝关节最大横向弯曲角37.1°,最大剪切位移12.5 mm,其损伤风险相对于右腿膝关节更高;在车灯碰撞区,行人下肢受到的损伤比车辆其他碰撞区的损伤更低。

人性化护理干预在子宫肌瘤术后患者下肢静脉血栓预防中的应用效果

目的探讨人性化护理干预在子宫肌瘤术后患者下肢静脉血栓(VTE)预防中的应用效果。方法选取2020年11月至2022年10月平邑县人民医院妇科收治的71例子宫肌瘤术后患者作为研究对象,根据抽签法分为对照组(n=35)与观察组(n=36)。对照组采用常规护理干预,观察组在对照组基础上采用人性化护理干预。比较两组凝血功能与下肢血流速度。结果干预后,观察组D-二聚体与纤维蛋白原均低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。干预后,观察组下肢血流速度均高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论人性化护理干预可改善子宫肌瘤术后患者凝血功能及下肢血流速度,从而降低下肢VTE发生风险。

穿戴下肢支撑外骨骼时人体下肢生物力学仿真分析

随着工业外骨骼的广泛应用,外骨骼在辅助人体的同时也产生了负载,这种负载与外骨骼重量相关。为探究下肢支撑外骨骼重量对人体的影响,采用有限元方法对穿戴工业外骨骼且处于静态站姿状态下的人体进行生物力学仿真分析。基于POSER软件和人体解剖学数据建立包含人体皮肤、软组织、骨骼以及骨连结的人体下肢有限元模型,通过与尸体实验及文献数据的对比验证了模型可靠性。基于上述模型,在ANSYS中计算不同外骨骼重量下人体的受力情况,对比分析各部位应力分布情况。结果表明:在穿戴下肢支撑外骨骼状态下,人体各部位的应力值增长与外骨骼重量线性相关,且人体后腰部位、长骨骨干、膝关节、踝关节、足跟处存在较大的应力。

人性化优质护理对老年下肢创伤骨折手术患者深静脉血栓形成的影响

目的探讨人性化优质护理对老年下肢创伤骨折手术患者深静脉血栓形成(DVT)的影响。方法选取医院2020年11月至2022年12月收治的下肢创伤骨折老年手术患者86例,均分为对照组和观察组,各43例。对照组患者给予常规护理,观察组患者给予优质护理。结果观察组患者凝血指标、血流速度、抑郁自评量表(SDS)和焦虑自评量表(SAS)评分均显著优于对照组(P<0.05)。结论人性化优质护理用于老年下肢创伤骨折手术患者可有效改善凝血功能,减少DVT,患者满意度高。

人体下肢应激微反应自动识别

由于现有的动作识别方法不能直接用于人体微反应动作识别,本文基于人体下肢微反应动作特点,构建了一种时空金字塔韦伯局部描述子并设计了基于字典学习的人体下肢微反应自动识别算法。该方法利用时空金字塔韦伯局部描述子提取每一类人体下肢微反应动作特征,使用主成分分析法对特征降维;然后,建立每一类动作子字典并将子字典串联形成总的动作字典;最后,通过实验分析了金字塔级数L,降维后每类动作特征维数d_(PCA),每类动作子字典原子个数n_(Atom),以及稀疏阈值C等参数对识别结果的影响,并确定最优参数值L=3,d_(PCA)=30,n_(Atom)=40,C=10。实验结果表明,提出的算法对10种人体下肢微反应动作的识别率均在0.83~0.91之间,平均识别率达到0.86,高于其他动作识别算法。设计的算法更适用于人体下肢微反应动作分类,并可有效提高分类识别率。

面向人机融合的智能动力下肢假肢研究现状与挑战

智能动力下肢假肢在残疾人生活中起着越来越重要的作用.解决人-智能假肢-环境融合中的关键科学问题是实现假肢穿戴者安全、流畅运动的必要条件.本文针对此问题,综述了面向人机融合的智能动力下肢假肢研究,包括智能动力下肢假肢的仿生结构和控制方法、人体运动意图识别、复杂环境下的人-智能假肢融合、以及用于下肢假肢的感知替代和反馈,深入探讨了智能动力下肢假肢人机融合研究中所面临的挑战和问题,最后,本文对该领域的未来发展方向进行了展望和总结.

虚拟现实验证仿真多路况下人体下肢行走状态

背景:在智能下肢假肢控制器的研究过程中,无论采用肌电信号还是运动与动力学信息相结合等方式识别路况,其结果都通常抽象难懂。目的:从直观运动学分析的角度说明不同路况之间的异同,并利用虚拟现实技术对多种路况场景进行建模和仿真以使识别结果形象化、直观化。方法:用Simulink下的机械建模模块Simmechanics搭建人体下肢模型框图并进行输出运动学分析,比较各种路况下运动学信息的异同,结合虚拟现实工具箱建立多路况场景,用运动学信息驱动虚拟模型运动,完成不同路况的验证仿真。结果与结论:直观利用运动学信息区分多种路况有一定的局限性,需结合其他手段或信号;虚拟现实工具箱能很好地再现数据所对应的运动场景。仿真结果表明,虚拟现实建模方法能够真实形象再现人体下肢在平地、斜坡以及楼梯的行走状况,使数据所反映的运动状态不再单调抽象,使识别结果形象化,可作为验证路况识别结果的手段,为智能假肢模式识别工作提供了一个良好的验证显示平台。

基于人机5杆模型的下肢外骨骼系统设计

针对日益增多的脑卒中病人和脊椎损伤病人康复训练需求,分析了人体下肢驱动自由度,设计出一种基于跑步机上行走训练的下肢外骨骼系统,将康复理疗师的训练经验与机器人的大功率以及可重复操作性集成于一体.利用人机耦合系统5杆模型,建立动力学方程并推导出髋、膝关节驱动力矩,为对应关节的驱动电机选型提供参考依据.为了获取正常人体在跑步机上行走的步态,利用光学动作捕捉系统采集正常人体在跑步机上行走时的特征点数据,结合人机耦合系统5杆模型推导出髋、膝关节角度值,作为患者在跑步机上康复训练的标准步态的参考.通过患者康复训练临床实验,验证了系统的可行性与可靠性,其实验结果与患者实际病情相符合.该外骨骼系统为脑卒中病人提供了一种科学的康复训练平台.

一种人体运动重定向方法

提出人体下肢向量的概念,通过分析人体运动指出下肢向量能保持运动的主要特征,由此提出基于下肢向量特征不变性的人体运动重定向方法,以此提高运动捕获数据的可重用性。该方法面向人体下肢的运动重定向,能够将运动数据从原始骨骼模型重定向到具有不同骨骼长度比例的目标骨骼模型,同时保持原始运动的主要特征。实验结果表明,该方法具有较好的运动重定向效果和较快的计算效率。

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。