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。

肌电和足压信息融合的外骨骼步态识别

为解决基于单一信号识别步态相位不够精准的问题,开展了动态交互力激励下的人机协同行走的步态识别研究。设计了肌电和足压信息采集的多模态传感器检测硬件平台;分别对单一信号开展滤波降噪、特征提取与降维等预处理;将表征下肢生理信息的肌电信号与运动信息的足压信号相融合,构建了支持向量机-模糊C均值(support vector machine-fuzzy C-mean algorithm,SVM-FCM)多模信息融合的外骨骼助行步态识别算法;开展了人机协同助行实验,实验结果表明:信息融合后的人机步态相位平均识别率达到82.49%,优于使用单一信号的识别效果,验证了多模信息融合算法识别人机协同步态的有效性。本研究可用于下肢外骨骼机器人运动控制,为人机运动相融奠定基础。

可穿戴柔性上肢外骨骼的研究进展与展望

为研究可穿戴柔性上肢外骨骼的发展现状和其面临的关键技术难题,对目前该领域的文献进行了分析与总结。外骨骼可以有效地提供保护、支撑等功能,解决高强度重复性工作导致的肢体疲劳和身体机能衰退,以及中风或职业病导致的肢体运动障碍。此外,它们有能力通过额外的动力和功能来恢复或增强人类的运动能力。可穿戴柔性外骨骼作为一种新兴的外骨骼发展方向,相较于传统的刚性外骨骼,具有结构柔顺、人机交互性好和穿戴舒适性好等明显优势。首先,本研究结合柔性上肢外骨骼的3种主要驱动方式(绳驱、气动、形状记忆合金),详细解析不同驱动方式的相关研究成果和相应结构特点。然后,从结构、材料、控制、辅助4个方面分析和阐述如今柔性上肢外骨骼面临的关键技术挑战。最后,结合外骨骼在不同领域应用的需求,推测未来柔性上肢外骨骼技术将向灵活化、舒适化、顺应化、智能化方向发展。研究表明,可穿戴柔性上肢外骨骼的技术尚处于初始阶段,仍有许多技术难题亟需解决,同时,新型的柔性执行器,柔性传感器等可为关键技术难题的突破提供参考。

穿戴武器臂的人枪耦合系统发射响应研究

穿戴式武器臂是一种新型单兵上肢外骨骼,对提高单兵火力打击效能具有重要作用,含武器臂的人枪耦合系统是一种复杂人机系统,其作用机制和动力学响应特性尚需进一步研究.提出了一种穿戴武器臂的总体方案,研制了穿戴式武器臂原理样机,采用16通道Delsys表面肌电测试系统采集射手立姿据枪瞄准时左右臂和躯干肌肉的表面肌电信号,对典型射手在有/无穿戴武器臂状态下,双手握持枪械时的肌肉疲劳状况进行对比评估;采用Codamotion三维运动捕捉系统采集立姿无依托点射和单发射击过程中枪口响应数据,建立有/无穿戴武器臂状态立姿无依托人枪相互作用动力学仿真模型,通过试验和仿真分析穿戴武器臂状态人枪系统发射动态响应特性.研究结果表明穿戴武器臂立姿据枪瞄准时射手左手肌肉的积分肌电值除三角肌外均有明显的下降,肱二头肌的下降尤为显著;穿戴武器臂立姿无依托点射时枪口后坐和竖直方向的位移量相比“无武器臂持枪射击状态”大幅下降,抵肩力也大幅下降,穿戴式武器臂减轻了穿戴者的双手肌肉疲劳,提高了枪械的射击动态稳定性.

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。

人机携行外骨骼负重上斜坡动态建模与仿真

为了实现下肢外骨骼的精确控制,对外骨骼在不同负重下上斜坡过程中各关节力矩进行了分析。基于西南交通大学第三代人机携行助力外骨骼机器人,运用拉格朗日方法建立了外骨骼动力学模型,得到各关节力矩计算表达式;通过三维动作捕获系统得到下肢运动数据,利用Matlab软件计算出关节所需的驱动力矩,得出在上斜坡过程中的力矩变化规律;在SolidWorks软件中建立外骨骼三维模型,将其导入Adams软件中进行动力学仿真,并与理论计算结果进行对比,验证了仿真结果的可靠性。研究结果能够提升在外骨骼上斜坡过程中控制结果的准确性以及人体穿戴外骨骼的舒适性。

基于神经-肌骨-外骨骼耦合仿真框架的平地和上坡行走动力学分析

评估人体穿戴外骨骼后的运动性能是指导外骨骼硬件迭代和控制策略优化的重要依据.与传统的基于实验的评估相比,基于人-外骨骼耦合系统动力学仿真的评估避免了平台搭建和实地测试、实验数据分析处理的巨大人力和时间成本.此外,如将人体神经肌骨动力学纳入人-外骨骼耦合系统,动力学仿真还能够生成肌肉激活、肌肉力和关节力矩等实验中难以测量的生理学和生物力学信息,从而可以从肌肉发力的层面评估不同环境下穿戴外骨骼对人体运动的影响.本研究以人体肌骨-髋关节外骨骼耦合系统为研究对象,基于考虑人体神经肌骨动力学、足地接触和人-外骨骼交互作用的完整神经-肌骨-外骨骼耦合正向动力学仿真框架,对系统在平地和上坡(5.71°,10%)两种场景以0.8 m/s步速行走的动力学进行了比较研究.通过给定模型中的神经肌肉反射参数,综合考虑系统运动状态、肌肉收缩动力学、肌骨运动学、肌肉代谢、不同环境下的地反力和人机交互力等因素,并采用协方差矩阵自适应进化策略进行分阶段多目标优化,可以在不需要实验数据输入的条件下,高效完成全系统的动力学仿真.计算结果表明,所提仿真框架不仅能够生成包括肌肉激活、肌肉力、关节力矩和关节角度在内的完整生理学和生物力学信号,还能够反映和解释不同肌肉的激活模式随步行环境的适应性变化.此外还在与仿真情况一致的步行条件下进行了人体穿戴外骨骼行走测试,并进一步将肌肉激活数据与测得的肌电信号对比.结果表明,仿真与实验的肌肉激活结果保持了较高的相关性,并呈现出相对于地形坡度基本一致的变化规律;在上坡行走时,腘绳肌、臀大肌、髂腰肌和比目鱼肌的肌肉激活程度的RMS值均显著高于平地行走的情况,而股直肌与胫骨前肌的肌肉激活程度的RMS值则有所下降.上述结果表明,提出的动力学仿真框架可以在无实验数据输入的条件下有效且准确地捕捉在不同地形中行走时肌肉激活模式的定性差异.本研究为人体肌骨-外骨骼耦合系统在多场景下的行走仿真与性能评估提供了新的途径,也为外骨骼设计与控制策略的优化提供了理论参考和仿真分析方法.

基于多目标遗传算法的外骨骼人-机并联系统性能优化

在提出一种具有仿生交变穿戴接触刚度的膝关节外骨骼人-机物理交互(穿戴)系统研究原型的基础上,开展穿戴系统参数优化分析,用于实现其穿戴舒适性与承载有效性的提高。首先,基于Ansys软件平台,搭建系统虚拟样机模型;其次,基于仿真分析,构造一种计及外骨骼缓冲层结构、材料参数为设计参变量的可穿戴性新型综合评价指标——穿戴舒适度,并获取后续优化初始数据种群;最后,针对穿戴舒适度指标开展多目标遗传优化分析,以寻找外骨骼穿戴系统的设计参数最优值。仿真分析表明,大腿肌群穿戴处最大等效应力(Von-Mises)有效值相对优化前降低44.45%,最大有效变形降低2.86%,有效受力结点数占比提高1.75%。因此,仿真结果可佐证上述人-机并联物理交互系统设计与其性能优化方法的有效性与合理性。

外骨骼机器人助力效能测试方法及应用综述

外骨骼机器人在军事、医疗及工业等领域展现出广阔的应用前景,迫切需要一套科学的外骨骼助力效能测试评估体系,以实现对外骨骼研发、产品迭代及实际使用的指导与规范。为全面把握现有性能测试方法,进行CiteSpace可视化科学知识图谱分析与数据统计,围绕代谢成本评估、生物电信号评估、运动学与动力学参数评估、工况表现评估和综合评价模型5类常见评估方法进行综述,总结其关键指标与技术局限,并从评估理论深入与测试方法、候选评估集合建立方法、综合评价模型结构设计与指标赋权方法、多场景测试方法4个方面,对外骨骼效能评估技术的未来发展提出展望,对完善外骨骼评估体系、实现技术横向比较具有实际意义。

基于人体动力学分析的下肢外骨骼助力设计及机构优化

为设计助力效果良好的被动式下肢外骨骼,基于对人体行走的运动和力学特征以及相关主要肌群的力学表现的分析,提出了一种下肢外骨骼优化设计方法。通过开展人体行走实验,获取人体运动学信息和足底反力,并将其用于驱动Anybody仿真,从而得到人体行走过程中下肢肌肉的力学数据。借助Hill肌肉模型建立人体矢状面内的髋关节肌肉-肌腱-骨骼简化模型,并在该模型中添加虚拟扭簧以模拟助力外骨骼的作用,形成人体-外骨骼一体化模型。在此基础上,对穿戴助力外骨骼行走时的人机交互力以及穿戴者的肌肉激活情况进行量化分析。建立以扭簧刚度为变量的肌肉激活程度、代谢能计算模型,并以代谢能最低为目标,利用粒子群算法对虚拟扭簧的刚度进行优化以获得最优值。据此,提出髋关节助力外骨骼机构设计方案,并以机构的辅助力矩与虚拟扭簧力矩差值最小为目标进行优化,得到机构中拉簧刚度和各个连杆尺寸的最优值,作为外骨骼机构设计参数。同时,制作髋关节助力外骨骼样机并开展助力行走实验。结果表明,穿戴该助力外骨骼行走时人体代谢能降低效果显著。研究方法可为其他下肢外骨骼的设计和分析提供借鉴。

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。

面向水下机器人的多模态人机交互控制

近年来水下机器人在海洋科学研究、海洋工程及战略高技术等领域得到了广泛应用,但由于水下操作指令的繁杂,一般需要多人协同操作且交互控制效率较低。针对此问题,该文提出了一种面向水下机器人的多模人机交互控制方案,通过上肢可穿戴外骨骼和Myo手环检测操作者手臂和手部的运动状态,实现对水下机器人的运动控制。利用机器学习算法和检测手臂关节运动角度的方式,完成对肌电信号和肢体动作的控制意图识别。通过网络将肢体动作和肌电信号的控制指令发送到水下虚拟环境中,实现多模态融合的控制效果,并完成了18种控制指令的映射。最后,选取4位操作者进行水下机器人的人机交互控制测试,实验结果表明了多模人机交互控制方式在水下作业中的可行性。

上肢助力外骨骼研究综述

简述了在当前疫情灾情多发、劳动力资源短缺的情况下开发上肢助力外骨骼的重要意义,介绍了外骨骼的发展历程、分类方式以及上肢助力外骨骼的特点、适用人群、应用场景等。详细介绍了国内外上肢助力外骨骼相关研究成果和产品,包括其基本构造以及评估实验结果,并对其中的关键技术(如驱动和传动、人机交互中所涉及的人体运动意图识别、人机协同运动等)进行了阐述和分析。总结了当前研究中仍存在的问题,并对上肢助力外骨骼未来的发展趋势进行了展望。

被动踝足外骨骼对平地行走时运动表现的影响

被动踝关节外骨骼(unpowered-ankle exoskeleton)可实现人体步态行走良好辅助作用,但对其助行增强效果研究多局限于跑步机行走范式,现少有在平地行走下穿戴外骨骼对穿戴者运动生物力学影响的研究。本研究设计组装了一款低成本模块化的被动踝关节外骨骼,首次研究了平地行走下穿戴被动踝关节外骨骼对健康年轻穿戴者肌肉激活与运动表现的影响。实验招募5名穿戴者,在无外骨骼、仅穿戴外骨骼框架和穿戴外骨骼3种实验条件下完成直线行走任务,过程中同步采集人体下肢主要肌群的肌电和关节运动轨迹。提取了肌电激活特征和关节角度特征,采用双因素方差分析方法揭示了不同外骨骼穿戴状态对相关特征的影响。结果表明,外骨骼框架会对人体提供支撑,降低站立阶段腓肠肌内侧肌肉激活。而穿戴外骨骼在站立阶段使腓肠肌内侧的平均肌肉激活显著降低20%,也显著降低了踝关节的峰值力矩及功率。外骨骼会使髋膝关节的运动学和动力学表现发生变化,这可能与下肢关节间的能量交换有关。因此,被动踝关节外骨骼可在平地行走下对踝关节实现支撑相和推离阶段有效辅助,但穿戴者同时也会适应外骨骼穿戴而改变其步态。

助力型外骨骼行走模式下多关节动力分配仿真分析

助力型外骨骼是一种人机高度结合的复杂机械结构。为了研究外骨骼在行走模式下负重50 kg时各关节所需驱动力矩以及功率变化规律,本文以西南交通大学第三代助力型外骨骼为研究对象,建立外骨骼模型,运用拉格朗日方程对外骨骼进行动力学分析。为实现外骨骼与人体的携行运动,通过姿态传感器对人体行走过程中关节角的变化规律进行了测量与分析,并将其作为驱动函数对ADAMS环境中的外骨骼虚拟样机进行动力学仿真,得出各关节驱动力矩变化曲线,并拟合出各关节功率曲线。所得结果增加了人机携行性以及结果的可靠性,为助力型外骨骼的驱动控制提供了参考依据。

基于膝关节外骨骼张弛穿戴系统的动力学性能优化

旨在提高下肢外骨骼的穿戴舒适性与承载有效性,设计了一种新型超越离合器驱动的张弛穿戴系统研究原型,深入开展该系统仿生工作机理的阐述及其动力学性能的优化研究。首先,鉴于下肢外骨骼人-机穿戴接触压力构造的复杂性以及相关材料力学参数的非线性,建立以超越离合器驱动单元为主体的外骨骼张弛系统等效模型,并进行刚柔耦合动力学仿真。其次,基于Ansys workbench的DesignXplorer平台,以超越离合器棘轮厚度和棘轮质心平面与轮盘质心平面间的距离等要素为优化参数,以弹簧节点的最大加速度数值、弹簧节点的最大速度数值和棘轮棘爪接触处的最大应力为优化目标,对该系统展开结构设计优化。最后,通过仿真优化前后数据对比,佐证了优化后张弛穿戴系统具有较好的动力学性能及所采用研究方法合理有效,为后续外骨骼人-机并联张弛穿戴系统的承载舒适性研究与详细设计提供理论基础。

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。

消防水枪外骨骼的生物力学分析

针对当前大健康需求,开展基于人体生物力学的消防人员穿戴专用消防水枪外骨骼的分析,为减小消防人员职业损伤提供具有普遍意义的理论参考。设计并组织消防人员穿戴和未穿戴专用消防水枪外骨骼的模拟试验,获得消防人员在工作状态下的身体动作信息,分析在工作状态下消防人员在穿戴和未穿戴消防水枪外骨骼时的肌肉活动情况和关节反作用力。与未穿戴外骨骼时相比,穿戴外骨骼时,右边肩背部肌肉激活度明显下降,左边肌肉激活度略微上升,两边肌肉激活度趋于平衡,避免了单侧肌肉过度疲劳。同时,穿戴外骨骼时,消防水枪外骨骼对于左侧下肢关节受力情况有所改善,水枪单侧放置导致下肢关节力矩均略微增加,但右边盂肱关节反作用力下降。

能量辅助骨骼服NAEIES的开发

骨骼服是一种辅助人承受负载,有效增强人的负重能力,并帮助人们在各种地形条件下行走,结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的一种人机结合的机器人.文章介绍了海军航空工程学院开发的能量辅助骨骼服(NAEIES)的系统组成及工作原理.NAEIES采用上肢控制下肢的原理,通过测量上肢的运动信息,控制下肢膝关节的运动,而下肢髋关节的运动则通过气弹簧来巧妙地实现,良好的实现了骨骼服在承载的同时,跟踪人的行走步态.

外骨骼机器人的研究现状及发展趋势

阐述了外骨骼机器人的研究意义及国内外研究现状,重点介绍了几款具有代表性的外骨骼机器人,并对其基本性能参数进行了分析。详述了当前外骨骼机器人在设计研制过程中的关键技术,其中包括外骨骼机器人的上肢结构设计、传感系统及人机智能控制系统,并列举出对应的典型代表。最后,对外骨骼机器人的发展前景进行了展望。